Marcel Ayres de Araújo Projeto de um Sistema de Proteção Contra

Marcel Ayres de Araújo

Projeto de um Sistema de Proteção Contra Descargas Atmosféricas para uma Linha

de Transmissão de 69 kV

Orientador: Prof. Dr. José Carlos de Melo Vieira Júnior

São Carlos 2010

Marcel Ayres de Araújo

Projeto de um Sistema de Proteção Contra Descargas Atmosféricas para uma Linha de Transmissão de 69 kV

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo Curso de Engenharia Elétrica com ênfase em Sistemas de Energia e Automação Orientador: Prof. Dr. José Carlos de Melo Vieira Júnior

São Carlos 2010

ii

AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.

Ficha catalográfica preparada pela Seção de Tratamento da Informação do Serviço de Biblioteca – EESC/USP

Araújo, Marcel Ayres de

A663p Projeto de um sistema de proteção contra descargas atmosféricas para uma linha de transmissão de 69 KV / Marcel Ayres de Araújo; orientador José Carlos de Melo Vieira Júnior. –- São Carlos, 2010.

Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Elétrica com ênfase em Sistemas de Energia e Automação) -- Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo, 2010.

1. Transmissão de energia elétrica. 2. Descargas atmosféricas. 3. Pára–raios. 4. SPDA. I. Título.

v

Dedicatória

Aos meus pais, ao meu irmão, a minha namorada e

aos meus amigos.

vi

vii

Agradecimentos

Ao professor José Carlos de Melo Vieira Júnior, pela orientação, atenção, apoio

e incentivo no desenvolvimento do meu projeto de iniciação científica e elaboração

deste trabalho.

A todos os professores e funcionários do Departamento de Engenharia Elétrica,

que participaram e colaboraram com a minha graduação nesta universidade.

Ao Departamento de Engenharia Elétrica da Escola de Engenharia de São

Carlos (EESC) - Universidade de São Paulo.

Ao Laboratório de Sistemas de Energia Elétrica – LSEE e aos seus membros,

pela participação e fornecimento de todas as condições necessárias para o

desenvolvimento deste trabalho.

viii

ix

Sumário

Lista de Figuras ....................................................................................................... xi

Lista de Tabelas ................................................................................................... xvii

Lista de Siglas, Símbolos e Abreviaturas ........................................................ xix

Resumo ................................................................................................................... xxi

Abstract ................................................................................................................. xxiii

Capítulo 1 .................................................................................................................. 25

Introdução ........................................................................................................... 25

Capítulo 2 .................................................................................................................. 29

Levantamento Bibliográfico ............................................................................ 29

2.1 - Organização do Estudo Bibliográfico ......................................................... 29 2.2 - Sistemas de Proteção Contra Descargas Atmosféricas, Pára-Raios e Aterramento ....................................................................................................... 29

Capítulo 3 .................................................................................................................. 37

Descargas Atmosféricas .................................................................................. 37

3.1 - Conceitos Básicos ...................................................................................... 37 3.2 - Formação das Cargas nas Nuvens .............................................................. 38 3.3 - Formação do Raio ...................................................................................... 39 3.4 - Descarga Elétrica Nuvem/Terra ................................................................. 41

3.4.1 - Precursor ............................................................................................ 41 3.4.2 - Último Salto ....................................................................................... 43

3.5 - Descarga .................................................................................................... 43 3.6 - Incidência de Raios .................................................................................... 44

Capítulo 4 .................................................................................................................. 45

Sistema de Proteção Contra Descarga Atmosférica .................................. 45

4.1 - Funções e Definições de SPDA .................................................................. 45 4.2 - Composição dos SPDAs ............................................................................ 46 4.3 - Pára-Raios ................................................................................................. 46

4.3.1 - Tipos de Pára-Raios ............................................................................ 47 4.3.2 - Pára-Raios a Óxido de Zinco .............................................................. 48

4.3.2.1 - Características Construtivas dos Pára-Raios a ZnO.......................49 4.3.2.2 - Características dos Resistores a ZnO.............................................50 4.3.2.3 - Envelhecimento e Deterioração dos Resistores a ZnO..................51 4.3.2.4 - Desempenho Frente a Surtos Atmosféricos ..................................54

4.4 - Aterramento ............................................................................................... 55 4.4.1 - Conceitos Relevantes .......................................................................... 55 4.4.2 - Finalidades ......................................................................................... 56 4.4.3 - Requisitos........................................................................................... 57 4.4.4 - Fatores que Influenciam o Aterramento .............................................. 57

Capítulo 5 .................................................................................................................. 59

Levantamento e Modelagem da Linha de Transmissão ............................ 59

x

5.1 - Características da Linha Real Selecionada.................................................. 59 5.2 - Modelos Matemáticos ................................................................................ 62 5.3 - Modelagem da Linha Real Selecionada no Software ATPDraw.................. 63

Capítulo 6 .................................................................................................................. 67

Análise e Simulação das Sobretensões Causadas pela Ocorrência de Descargas Atmosféricas ...................................................................................... 67

6.1 - Simulação de Descargas Atmosféricas ....................................................... 67 Capítulo 7 .................................................................................................................. 81

Modelagem e Validação de Pára-Raios no Software ATPDraw ............... 81

7.1 - Modelagem do Pára-Raios ......................................................................... 81 7.1.1 - Modelo Proposto por Pinceti e Giannetoni (1999)............................... 82

7.2 - Seleção do Pára-Raios para Linha Selecionada ........................................... 84 7.2.1 - Seleção das Características Elétricas do Pára-Raios ............................ 86

7.3 - Validação do Modelo Proposto por Pinceti e Giannetoni (1999) ................. 88 Capítulo 8 .................................................................................................................. 93

Análise e Simulação da Proteção Realizada pelos Pára-Raios na Linha frente à Ocorrência de Descargas Atmosféricas............................................. 93

8.1 - Simulações para Determinação do Número e Localização dos Pára-Raios .. 93 8.1.1 - Adição de Conjuntos de Pára-Raios nos Extremos da Linha ............... 94 8.1.2 - Adição de 3 Conjuntos de Pára-Raios na Linha................................... 98 8.1.3 - Adição de 5 Conjuntos de Pára-Raios na Linha................................. 104

8.2 - Análise da Eficiência da Proteção da Linha com 3 Conjuntos de Pára-Raios ........................................................................................................................ 111

Capítulo 9 ................................................................................................................ 115

Conclusão ......................................................................................................... 115

Capítulo 10 .............................................................................................................. 119

Referências Bibliográficas ............................................................................ 119

xi

Lista de Figuras

Figura 3-1: Nuvem carregada eletricamente. .............................................................. 39

Figura 3-2: Descarga elétrica entre a nuvem e a terra. ............................................... 41

Figura 3-3: Precursor ou piloto descendente e ponto de impacto da descarga na terra.

................................................................................................................................... 42

Figura 3-4: Descarga descendente, com piloto ascendente (à direita) para um ramo

lateral da descarga. .................................................................................................... 43

Figura 4-1: Característica tensão x corrente para o SiC e o ZnO. ............................... 48

Figura 4-2: Vista em corte de um pára-raios para sistemas de distribuição. ............... 49

Figura 4-3: Regiões condutoras da característica tensão versus corrente de um

resistor a óxido metálico. ............................................................................................ 51

Figura 4-4: Característica potência consumida versus tempo para resistores a óxido

metálico de primeira, segunda e terceira geração. ...................................................... 52

Figura 4-5: Fator de correlação da corrente de fuga com o número de descargas para

um resistor a óxido de zinco típico para um surto de 8x20µs – 400A/cm². .................. 53

Figura 4-6: Fator de correlação da corrente de fuga com o número de descargas para

um resistor a óxido de zinco típico para um surto de 500x1500µs – 35A/cm². ............ 54

Figura 5-1: Estrutura do Tipo G................................................................................... 60

Figura 5-2: Estrutura do Tipo A. .................................................................................. 60

Figura 5-3: Estrutura do Tipo B. .................................................................................. 60

Figura 5-4: Estrutura do Tipo E. .................................................................................. 61

Figura 5-5: Estrutura do Tipo HS. ............................................................................... 61

Figura 5-6: Estrutura do Tipo HT. ................................................................................ 61

Figura 5-7: Tela inicial do componente LCC. .............................................................. 64

Figura 5-8: Entrada dos dados dos condutores do sistema simulado. ........................ 65

Figura 5-9: Modelo simplificado da linha. .................................................................... 65

Figura 6-1: Modelo simplificado da linha para simulações de descargas atmosféricas.

................................................................................................................................... 68

Figura 6-2: Tensão nas fases “A”, “B” e “C” após a ocorrência de uma descarga

atmosférica de 2,5kA com resistência do canal de ionização de 1kΩ, aplicada no ponto

2 e medida no ponto 2 da linha. .................................................................................. 71




xii











atmosférica de 2,5kA com resistência do canal de ionização de 3KΩ, aplicada no

ponto 8 e medida no ponto 2 da linha. ........................................................................ 73




















atmosférica de 10kA com resistência do canal de ionização de 1kΩ, aplicada no ponto





xiii













Figura 7-1: Modelo recomendado pelo IEEE............................................................... 82

Figura 7-2: Modelo proposto por Pinceti e Giannetoni (1999). .................................... 83

Figura 7-3: Característica VxI do modelo Pinceti e Giannetoni (1999). ....................... 84

Figura 7-4: Nível Ceraúnico do Estado de São Paulo. ................................................ 85

Figura 7-5: Curva de parametrização do resistor não-linear A0. ................................. 89

Figura 7-6: Curva de parametrização do resistor não-linear A1. ................................. 90

Figura 7-7: Resposta do modelo de Pinceti e Giannetoni (1999) para forma de onda

1,2x50µs e corrente de descarga 10 kA. ..................................................................... 90

Figura 8-1: Modelo simplificado da linha com pára-raios instalados nos extremos...... 94

Figura 8-2 Tensão nas fases “A”, “B” e “C” após a ocorrência de uma descarga


5 e medida no ponto 2 da linha com 2 pára-raios instalados. ...................................... 95







Figura 8-5: Corrente nas fases “A”, “B” e “C” após a ocorrência de uma descarga


5 e medida sob o pára-raios 1 da linha. ...................................................................... 96




xiv







Figura 8-9: Modelo simplificado da linha com pára-raios nos pontos 1, 5 e 9.............. 98






5 e medida no ponto 5 da linha com 3 pára-raios instalados. .................................... 100






5 e medida sob o pára-raios 1 da linha. .................................................................... 101
















Figura 8-19: Modelo simplificado da linha com pára-raios nos pontos 1, 3, 5, 7 e 9. . 104

xv





































xvi




xvii

Lista de Tabelas

Tabela 1-1: Cronograma de atividades. ...................................................................... 27

Tabela 3-1: Principais Constantes Dielétricas. ............................................................ 40

Tabela 3-2: Correntes de descarga mínimas interceptadas nos quatro níveis de

proteção normalizados. ............................................................................................... 42

Tabela 6-1: Valores máximos de tensão em decorrência da aplicação de descargas

atmosféricas. .............................................................................................................. 69

Tabela 7-1: Características dos resistores não-lineares do modelo Pinceti e Giannetoni

(1999). ........................................................................................................................ 84

Tabela 7-2: Gama de Produtos ABB (ABB, 2004). ...................................................... 85

Tabela 7-3: Características de proteção garantidas do pára-raios EXLIM Q-E (ABB,

2004). ......................................................................................................................... 87

Tabela 7-4: Tabela para determinação do valor mínimo de Ur do pára-raios (ABB,

2004). ......................................................................................................................... 88

Tabela 7-5: Características de proteção e dos encapsulamentos dos pára-raios EXLIM

Q-E (ABB, 2004). ........................................................................................................ 88

Tabela 7-6: Características de A0 e A1 do pára-raios EXLIM Q-E. ............................. 89

Tabela 8-1: Valores máximos de tensão e corrente na linha com 2 conjuntos de pára-

raios em decorrência da aplicação de descargas atmosféricas................................... 94


raios em decorrência da aplicação de descargas atmosféricas................................... 99


raios em decorrência da aplicação de descargas atmosféricas................................. 104


raios em decorrência da aplicação de descargas atmosféricas................................. 112

xviii

xix

Lista de Siglas, Símbolos e Abreviaturas

ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas

ATP - Alternative Transients Program

CEMIG - Companhia Energética de Minas Gerais

CEMIG D - CEMIG Distribuição S.A.

CNEN - Comissão Nacional de Energia Nuclear

CPFL - Companhia Paulista de Força e Luz

DPS - Dispositivo de Proteção Contra Surtos

ELAT - Grupo de Eletricidade Atmosférica

GTMD - Grupo de Trabalhos de Melhoria de Desempenho

INPE - Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais

LD - Linha de Distribuição

LT - Linha de Transmissão

NBI - Nível Básico de Isolamento

ONS - Operador Nacional do Sistema Elétrico

OPGW - Optical Ground Wire

SEP - Sistema Elétrico de Potência

SiC - carboneto de silício

SLT - Sistema de Localização de Tempestades

SPDA - Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas

TL - Transmission Lines

UnB - Universidade de Brasília

USP - Universidade de São Paulo

ZnO - Óxido de Zinco

xx

xxi

Resumo

Araújo, M. A. (2010). Projeto de um Sistema de Proteção Contra Descargas Atmosféricas para uma Linha de Transmissão de 69 kV. São Carlos, 2010.

Trabalho de Conclusão de Curso – Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade

de São Paulo.

Em países de dimensões continentais, como o Brasil, onde as principais fontes

de energia elétrica são de origem hidráulica, é necessária a construção de extensas

linhas de transmissão (LTs) que interliguem tais fontes aos principais centros

consumidores. Desta forma, o percurso destas linhas pode compreender regiões com

características orográficas bastante diversificadas e com constantes variações

climáticas ocasionando interações com fenômenos eletromagnéticos indesejáveis, tais

como as descargas atmosféricas, as quais são as principais responsáveis por

desligamentos não programados de linhas aéreas de transmissão de energia, em

virtude da sua incidência nos condutores ou nas torres de transmissão.

É neste contexto que se insere esta pesquisa por meio do desenvolvimento de

um Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas (SPDA) para proteção de

uma linha de transmissão real que conecta a uma usina de pequeno porte a uma

subestação para distribuição de energia.

Ressalta-se que no decorrer deste trabalho de conclusão de curso a linha de

transmissão mencionada foi modelada e simulada dispondo-se do programa

computacional ATP (Alternative Transients Program), através da interface gráfica

ATPDraw. Ademais, foi empregado o modelo JMarti para as simulações de descarga

atmosférica e o modelo Pinceti para representar as características dinâmicas dos

pára-raios e simulá-los, como será visto no decorrer deste relatório.

Além disso, para o desenvolvimento de um SPDA foram feitas simulações de

descarga atmosféricas, cálculo das sobretensões causadas pelas mesmas e análise

dos seus resultados, para que se pudesse realizar a modelagem computacional dos

pára-raios no programa ATPDraw, o dimensionamento e localização dos mesmos ao

longo linha, e promover novas simulações de descargas atmosféricas com o intuito de

verificar e analisar o projeto de proteção dos pára-raios para a linha escolhida.

Palavras-chave: ATPDraw, Descargas Atmosféricas, Pára-Raios, SPDA, Transmissão

de Energia Elétrica.

xxii

xxiii

Abstract

Araújo, M. A. (2010). Project of a Lightning Protection System of a 69 kV Transmission Line. São Carlos, 2010. Course Conclusion Project – Engineering

School of São Carlos, University of Sao Paulo.

In huge countries, as Brazil, where the main energy sources have hydraulic

origin, it is necessary the construction of extensive transmission lines (TLs) that

interconnect these sources with the main consumption centres. As a consequence, the

route of these lines can embrace regions with diversified orographic characteristics and

constant climatic variations causing interactions with undesirable electromagnetic

phenomena, as atmospheric discharges, that are the main responsible for unscheduled

outages of overhead energy transmission lines due to the incidence on conductors or

on transmission towers.

It is in this context that this research is inserted through the development of a

Lightning Protection System for the protection of a transmission line that connects to a

small plant to a substation for power distribution.

It should be noted that during this conclusion course project, the mentioned

transmission line has been modeled and simulated with the computational software

ATP (Alternative Transients Program), through the graphic interface ATPDraw.

Furthermore, the JMarti model was used for the simulations of atmospheric discharges

and the model developed by Pinceti was used to represent the dynamic characteristics

of lightning rod and simulate them, as will be seem throughout this report.

Moreover, for the development of a lightning protection system, simulations of

atmospheric discharges were performed, as well as overvoltage calculations caused by

them and analysis of their results, so that, it was possible to perform the computational

modelling, using the software ATPDraw, the sizing and the location of the lightning rod

along the transmission line, and promote new simulations of atmospheric discharges,

with the objective of verify and analyse the protection project for the lightning rod for

the chosen line.

Keywords: Atmospheric Discharge, ATPDraw, Electric Power Transmission, Lightning

Rod.

xxiv

25

Capítulo 1

Introdução

Cada vez mais os critérios de confiabilidade e continuidade do fornecimento de

energia elétrica, apontados e requeridos nos procedimentos normativos do Operador

Nacional do Sistema Elétrico (ONS) têm sido objeto de estudos e pesquisas tendo sua

ênfase aumentada já que a dependência da qualidade de vida e do progresso econômico

estão ainda mais atrelados à qualidade dos serviços relacionados à energia elétrica,

tornando a mesma indispensável ao homem, e também pela sedimentação do novo modelo

do setor elétrico, voltado para o desenvolvimento sustentável e a responsabilidade

ambiental.

Muitos recursos têm sido investidos em estudos e desenvolvimento de técnicas para

melhorar a qualidade do serviço público de energia elétrica, em particular, os estudos de

proteção e coordenação de isolamento têm por finalidade adaptar a suportabilidade dos

equipamentos das subestações, linhas de transmissão e linhas de distribuição frente às

sobretensões as quais estão sujeitos. Contudo, os critérios econômicos têm sido de grande

importância na tomada de decisão neste campo, pois se procura o melhor cenário entre a

proteção dos sistemas elétricos e o respectivo custo.

É neste contexto que se insere o estudo e desenvolvimento dos sistemas de

proteção contra descargas atmosféricas (SPDAs) para proteção e coordenação de

isolamento de linhas de transmissão, de distribuição e subestações contra desligamentos

não programados em virtude, sobretudo, da incidência de descargas atmosféricas nos

condutores ou nas torres de transmissão. Nesta conjuntura os SPDAs tradicionalmente têm

sido designados por pára-raios, os quais têm como objetivo encaminhar a energia do raio,

desde o ponto em que ele atinge a edificação, instalação ou equipamento, até o

aterramento, da forma mais rápida e segura possível.

Não obstante, estima-se que as descargas atmosféricas causem ao Brasil

atualmente um prejuízo de milhões de reais. Esta é a conclusão do Grupo de Eletricidade

Atmosférica (ELAT) do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), que realizou um

estudo junto às empresas do setor elétrico, telecomunicações, seguro, equipamentos eletro-

eletrônicos, construção civil, aviação, agricultura, pecuária, entre outras, concluindo que os

raios causam prejuízos anuais de aproximadamente um bilhão de dólares. O maior

26

prejudicado é o setor elétrico com a queima de equipamentos, perda de faturamento,

aumento das despesas de manutenção e penalizações. Seu prejuízo está avaliado em

cerca de 600 milhões de reais, seguido pelas empresas de telecomunicações, com cerca de

100 milhões de reais, e as empresas seguradoras de eletro-eletrônicos, com cerca de 50

milhões de reais cada. Considerando que no país ocorram cerca de 60 milhões de raios por

ano, em média cada raio representa um prejuízo de 10 reais ao setor elétrico.

Tendo em vista este contexto, destacam-se na proteção dos sistemas elétricos de

potência (SEP), durante sobretensões causadas por descargas atmosféricas, os pára-raios,

os quais desempenham um importante papel em limitar o nível de tensão, protegendo as

subestações, linhas de transmissão e equipamentos elétricos, conduzindo o excesso de

corrente do sistema para a terra. A capacidade de absorção de energia devido às

sobretensões está diretamente relacionada com a vida útil do pára-raios e, por conseguinte,

com a efetiva proteção oferecida ao sistema. O dimensionamento incorreto do equipamento

pode levar a danos nos seus componentes como fissuras, quebra do resistor ou mesmo

instabilidade térmica.

Posto isto, pode-se definir que o objetivo deste trabalho de conclusão de curso é

estabelecer uma metodologia capaz de proteger linhas de transmissão frente às descargas

atmosféricas por meio da implantação de um SPDA baseado na utilização de pára-raios.

Para tanto, serão realizadas simulações de descargas atmosféricas na linha de transmissão

sob estudo a fim de determinar as máximas sobretensões na mesma; dimensionar os pára-

raios a serem implementados a partir das sobretensões averiguadas; estudar qual a melhor

localização dos mesmos ao longo da linha; analisar qual o número de pára-raios

necessários; e avaliar o projeto do SPDA por meio da análise das simulações de descargas

atmosféricas diretas realizadas após a inserção dos pára-raios na linha empregando-se o

software ATPDraw.

Para atingir tais objetivos, o presente projeto foi divido conforme o cronograma

abaixo:

1. Estudo dos modelos de SPDA e levantamento bibliográfico sobre técnicas e

normas para o seu desenvolvimento;

2. Estudo e levantamento bibliográfico dos modelos de pára-raios e seleção do

modelo mais adequado à linha estudada;

3. Modelagem computacional dos pára-raios no programa ATPDraw e realização

de simulações de descargas atmosféricas, cálculo das sobretensões causadas

pelas mesmas e análise dos resultados;

27

4. Dimensionamento e localização dos pára-raios ao longo da linha a partir da

análise dos resultados das sobretensões causadas pelas descargas

atmosféricas simuladas;

5. Verificação e análise do projeto de proteção dos pára-raios na linha escolhida;

6. Elaboração da documentação e apresentação do trabalho de conclusão de

curso.

Tabela 1-1: Cronograma de atividades.

Eta-pas

2010

Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez

1 x x x x x 2 x x x x x 3 x x x x x 4 x x x x x x x x 5 x x x x x 6 x x x x x x x x x x x x x x x x

Dessa forma, para atender as etapas e objetivos acima mencionados, o presente

trabalho foi dividido em dez capítulos.

No segundo capítulo será apresentado um levantamento bibliográfico dos principais

trabalhos publicados na área de sistemas de proteção contra descargas atmosféricas e

sobre pára-raios de óxido de zinco.

No terceiro capítulo se fará uma exposição dos conceitos básicos relacionados às

descargas atmosféricas, como as mesmas ocorrem e são formadas, como se dá a

formação das cargas nas nuvens e dos raios, o que é o efeito plasma, e em que tipo de solo

há maior incidência de raios.

No quarto capítulo ocorrerá uma breve descrição sobre a função e composição dos

SPDAs, bem como será feito um levantamento sobre os pára-raios de óxido de zinco,

mostrando os conceitos básicos, características construtivas e de desempenho frente a

surtos atmosféricos dos mesmos, e do mesmo modo serão mostrados os conceitos,

finalidades, requisitos e fatores que influenciam na realização de aterramentos.

No quinto capítulo será realizada uma descrição sucinta da linha de transmissão a

ser estudada, além de definir o modelo matemático mais adequado às simulações de

descarga atmosféricas e de apresentar tal linha em seu modelo simplificado via software

ATPDraw.

No sexto capítulo serão apresentadas as simulações de descargas atmosféricas a

fim de observar os diferentes níveis de sobretensão em alguns pontos específicos da linha

28

de transmissão estudada, e por meio destas sobretensões definir qual a mais elevada e em

que ponto ocorre para modelar os pára-raios a serem implementados.

No sétimo capítulo serão contemplados os requisitos necessários para modelar um

pára-raios no software ATPDraw, além de uma visão sobre os varistores de óxido de zinco

e da configuração do modelo de pára-raios proposto por Pinceti e Giannetoni (1999), para

enfim determinar quais as características elétricas do pára-raios necessário a linha real

selecionada e realizar a validação do mesmo.

No oitavo capítulo serão apresentadas as simulações de descargas atmosféricas na

linha após a instalação dos pára-raios na mesma e por meio dessas simulações será

determinado o número de pára-raios necessário para proteção da linha e a localização dos

mesmos. Também serão avaliadas as sobretensões geradas pelas descargas frente à

proteção realizada pelos pára-raios a fim de diagnosticar a eficiência dos mesmos.

No nono capítulo serão expostas as conclusões desta pesquisa de implementação

de um SPDA na linha real escolhida por meio da instalação de pára-raios na mesma.

Por fim, no décimo capítulo será ilustrada a lista de referências bibliográficas

utilizada para a realização deste trabalho de conclusão de curso.

29

Capítulo 2

Levantamento Bibliográfico

A seguir serão apresentados os principais resultados do estudo bibliográfico

realizado no desenvolvimento deste projeto de conclusão de curso. Tal estudo foi de

fundamental importância para que se pudesse aprimorar o conhecimento do tema principal

do trabalho em questão e realizar a escolha das metodologias, abordagens e técnicas que

deverão ser adotadas para o desenvolvimento do mesmo, procurando conciliá-las e

adequá-las com os objetivos propostos.

2.1 - ORGANIZAÇÃO DO ESTUDO BIBLIOGRÁFICO

As pesquisas bibliográficas realizadas levaram à análise de vários temas

relacionados à proteção de linhas de transmissão contra descargas atmosféricas e

implantação de pára-raios de óxido de zinco (ZnO) em linhas aéreas de energia. Esses

temas são os seguintes:

Levantamento de estruturas que necessitam de SPDA e análise de seus

efetivos sistemas de proteção;

Aplicação e desempenho de linhas de transmissão que utilizam pára-raios

de ZnO;

Sistemas de proteção contra descargas atmosféricas e aterramento;

Melhoria de desempenho de linhas de transmissão sob a ação de

descargas atmosféricas.

2.2 - SISTEMAS DE PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS, PÁRA-RAIOS E ATERRAMENTO

Brittes e Ribeiro (1999) apresentam o resultado de um projeto de pesquisa e

desenvolvimento para criação de uma metodologia a fim de determinar o desempenho de

linhas de transmissão com utilização de pára-raios de ZnO, permitindo definir a quantidade

desses equipamentos a serem utilizados e analisar a configuração mais adequada, e ainda

30

fornecem um roteiro de implantação do modelo na prática em uma linha de transmissão

existente da CPFL. Com o objetivo de avaliar a metodologia e as ferramentas

desenvolvidos neste projeto, que resultaram no programa de cálculo de desempenho de

linhas, foi estudada a viabilidade de aplicação de pára-raios de ZnO, nas linhas de

transmissão do sistema da CPFL com as seguintes características: LT 138 kV Viracopos -

Trevo, circuito duplo, com pára-raios. Destaca-se que para a realização e execução deste

projeto foi necessário avaliar os seguintes dados da linha em estudo: configuração dos

condutores e pára-raios, se existentes, seções da torre e de meio vão; características dos

condutores, pára-raios e cadeias de isoladores, tipo e geometria das torres; resistências de

aterramento, caracterizando tipo, configuração e resistência dos eletrodos de terra; e os

dados da região em que a linha se encontra, tais como nível ceráunico, ou densidade de

descargas para terra, e perfil topográfico.

Para comparação com os índices de desligamento verificados no período de 1986 a

1992, conforme os registros disponíveis referentes ao desempenho da LT em questão

foram realizadas simulações com e sem a instalação dos pára-raios empregando o software

ATP, e verificada a eficiência dos mesmos na proteção da linha promovendo a redução de

50% a 70% dos desligamentos da LT em decorrência de impulsos atmosféricos. Sendo

assim, as taxas de desligamentos de linhas, com a aplicação destes equipamentos,

deverão ser reduzidas a níveis aceitáveis, avaliados de forma relativa, considerando-se os

resultados dos casos em que não estão presentes os pára-raios de ZnO.

Silva e Junior (2004) abordam as diversas técnicas e modelos de sistemas de

proteção contra descargas atmosféricas e sistemas de aterramento, bem como métodos de

otimização de seus resultados por meio de um embasamento teórico sólido e consistente.

Discorre-se que para o bom funcionamento de um sistema elétrico, seja na área de

potência ou na área de telecomunicação ou até mesmo em pequenos sistemas como uma

sala com computadores em rede, é imprescindível um bom sistema de proteção contra

descargas atmosférica e um bom sistema de aterramento. Embora aparentemente simples,

os sistemas de proteção devem levar em consideração muitas variáveis, com o objetivo de

garantir a continuidade do funcionamento dos sistemas onde são empregados. No decorrer

desse trabalho são apresentados os conceitos de aterramento com sua finalidade,

requisitos e pontos de aplicação, levando em conta o campo magnético, o potencial de

passo e de toque, o escoamento da malha e os fatores que influenciam no aterramento.

Também é estudada a resistividade do solo, os meios de medí-la e a influência da umidade

e temperatura sobre a mesma a fim de se determinar qual melhor tratamento para diminuí-

la. Não obstante, são apresentados os tipos de pára-raios com suas características

relevantes, princípios de funcionamento, requisitos para instalação, dimensionamento e

localização, e a resolução da Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN) proibindo o

31

uso de pára-raios radioativos. Com isso, através dos conceitos apresentados sobre pára-

raios torna-se possível constituir em conjunto com um sistema de aterramento um SPDA

robusto e eficiente frente à ocorrência de descargas atmosféricas.

Andrade et. al. (2005) apresentam as ações que vem sendo desenvolvidas pelo

Grupo de Trabalhos de Melhoria de Desempenho de LTs (GTMD) da CEMIG no sentido de

reduzir os impactos provocados pelas descargas atmosféricas no sistema elétrico da

empresa. A CEMIG D possui cerca de 16.119 km de linhas de transmissão, nas tensões

que variam de 34,5 a 161 kV. O elevado índice de descargas atmosféricas no estado de

Minas Gerais, aliado a altas resistividades do solo, tem sido a causa principal do mau

desempenho das linhas, sendo responsável por cerca de 75% de seus desligamentos. O

GTMD de LTs da CEMIG vem, há mais de 10 anos, estudando e buscando implantar

melhorias de desempenho em linhas de transmissão que sofrem acentuadamente a ação

de descargas atmosféricas. No passado, as ações adotadas eram apenas medidas

tradicionais de melhoria de desempenho, atuando na melhoria do aterramento, da

resistividade do solo, da blindagem, no nível básico de isolamento (NBI) da cadeia, etc.

Essas medidas nem sempre foram suficientes para conseguir a melhoria de desempenho

almejada. Com o surgimento dos pára-raios de ZnO, de corpo polimérico, tornou-se

possível a execução de melhorias significativas de desempenho por meio da limitação de

sobretensão nos terminais da cadeia de isoladores. Foram instalados pára-raios de ZnO em

6 LTs da CEMIG, tendo sido obtidos resultados excelentes no desempenho dessas linhas.

Os estudos para execução de melhoria de desempenho foram feitos buscando-se, em

primeiro lugar, a adoção de medidas convencionais, as quais seriam: melhoria do

aterramento através do redimensionamento dos cabos contrapesos e sistema de

aterramento; melhoria da resistividade do solo na região dos cabos contrapesos, através da

adição de redutor de resistividade, p. ex. bentonita; melhoria da blindagem, através do

redimensionamento do sistema de pára-raios; e melhoria do sistema de isolamento;

redimensionando as cadeias de isoladores. Em uma segunda fase, se as medidas

convencionais não são suficientes para a melhoria desejada de seu desempenho, estudos e

simulações são realizadas visando a instalação de pára-raios de ZnO, utilizando um

enfoque técnico-econômico para sua aplicação. São levantados os trechos críticos da LT,

considerando o perfil, a distribuição de resistências de aterramento, o levantamento do

histórico de manchas de descargas atmosféricas através do Sistema de Localização de

Tempestades (SLT) e a localização de faltas. São executadas simulações para os trechos

críticos, visando uma otimização do número de pára-raios de ZnO/estrutura versus custo de

melhoria de desempenho.

Na CEMIG já foram instalados pára-raios de ZnO em seis LTs, sendo que cada LT

teve uma característica de instalação diferente. Somente uma LT, a LT3 Ouro Preto 2 -

32

Taquaril 138 kV, teve pára-raios de ZnO instalados em todas as fases e em todas as

estruturas da linha, onde se pôde verificar a excelência na melhoria de seu desempenho.

Enfim, os estudos de melhoria de desempenho para linhas de transmissão sob a

ação de descargas atmosféricas, realizados pela CEMIG, trouxeram excelentes benefícios

para a operação do sistema e para a qualidade da energia fornecida aos consumidores

atendidos pelas LTs onde as melhorias recomendadas pelos estudos foram implantadas. O

GTMD recomenda que, nas ampliações de sistema previstas pelo planejamento para uma

determinada região, deve-se procurar contemplar as ações relativas a melhorias de

desempenho de LTs da região de abrangência das ampliações.

Miranda et. al. (2007) descrevem as ações desenvolvidas e executadas visando à

melhoria de desempenho da LT Guilman Amorim – Ipatinga 1, 230 kV, e a eficiência da

metodologia utilizada em termos de resultados e ganhos para a operação e manutenção da

mesma frente à ocorrência de descargas atmosféricas.

A LT Guilman Amorim - Ipatinga 1, 230kV da CEMIG percorre uma região com alta

resistividade do solo e alto índice de incidência de descargas atmosféricas. Com o objetivo

de melhorar seu desempenho, desenvolveu-se uma série de ações: aplicação de

metodologia não-convencional para seleção de estruturas críticas para o desempenho da

linha, reconstituição do aterramento, reesticamento de cabo Optical Ground Wire (OPGW) e

instalação de pára-raios de óxido de zinco em pontos críticos selecionados.

De 1998 a 2001, a LT Guilman Amorim apresentava um desempenho frente a

descargas atmosféricas não satisfatório em virtude dos repetidos desligamentos. A cada

ocorrência verificava-se um afundamento de tensão e conseqüente rejeição de carga na

região leste do estado. Em função disso, os grandes consumidores atingidos apresentavam

freqüentes reclamações junto à CEMIG. Além disso, desses desligamentos foi verificado

que em 90% dos casos havia descargas atmosféricas ocorrendo no trecho da LT onde os

desligamentos foram localizados.

A melhoria de desempenho da linha consistiu de várias medidas, sendo a principal a

aplicação da metodologia do índice de severidade desenvolvida em pesquisa dentro de

uma concepção moderna e inovadora, que utiliza informações de descargas atmosféricas

providas pelo SLT e parâmetros da linha para determinar as torres mais críticas que

requerem o foco na manutenção.

Tal projeto, que foi concluído com sucesso em setembro de 2005, teve foco

principalmente na melhoria de aterramento de algumas torres da linha, reesticamento de

um trecho de cabo OPGW e instalação de pára-raios de óxido de zinco em alguns pontos.

Desde então, houve uma redução no número de desligamentos por descargas

atmosféricas, melhoria de até 80% de alguns de seus índices de desempenho e redução de

reclamações por parte dos consumidores. Nesse projeto, a localização e a disposição dos

33

pára-raios foram determinadas através de estudos específicos e simulações realizadas pela

área de Planejamento de Operação da CEMIG com base nas informações históricas a

respeito do desempenho da LT. Nesta informações, foi constatado que a taxa de

desligamentos da linha com a aplicação de três pára-raios por estrutura seria baixa e

associada somente à taxa de falhas do pára-raios.

Com a execução e análise do projeto implementado pela CEMIG averiguou-se que o

desempenho da LT Guilman Amorim obteve considerável melhoria com os serviços

executados em trechos críticos determinados pelo índice de severidade, que por sua vez

mostrou-se eficiente e coerente com as informações do localizador de faltas, e nos trechos

mais críticos onde foram instalados pára-raios de óxido de zinco até então não foram

constatados desligamentos.

Delaiba et. al. (2009) expõem estudos nos quais são analisados os efeitos das

sobretensões geradas por descargas atmosféricas incidentes diretamente nas linhas de alta

(88kV) e média tensão (13,8kV). Os efeitos destes impactos são analisados nas regiões de

média tensão nas quais está uma grande quantidade de consumidores industriais e

residenciais. Nestas análises foram avaliadas a influência das resistências de aterramento

no valor do nível da tensão de surto induzida, sendo que todas as modelagens e

simulações do sistema estudado foram feitas através do software ATP. Neste artigo, optou-

se por estudar casos considerando descargas atmosféricas com incidência direta nos

circuitos em 13,8 kV, pois se tratam dos casos com sobretensões de surto mais severas e

com maiores potenciais causadores de danos a equipamentos de consumidores. Quanto

aos circuitos secundários, abaixo de 600 V, estes são posicionados em alturas inferiores às

dos condutores da rede primária. Por isso, esta última normalmente funciona como

blindagem, tornando rara a incidência direta de descargas atmosféricas nas redes de baixa

tensão. De acordo com os resultados analisados, pode-se destacar que, em relação à

descarga atmosférica incidente no cabo fase (88kV), os níveis de tensão de surto

observados no primeiro e segundo transformadores não ultrapassaram a suportabilidade

destes equipamentos. Entretanto, para o terceiro transformador fez-se necessária a

inserção de pára-raios. Dado ao fenômeno de reflexão de onda, tal transformador, por estar

alocado no final da linha de distribuição, teve seu nível básico de isolamento (NBI)

ultrapassado, sendo assim, ressalta-se a necessidade de atenção especial com

equipamentos alocados nesta situação. Em relação à descarga atmosférica incidente na

linha de distribuição (13,8kV), no lado primário dos transformadores de distribuição, todos

os níveis de tensão de surto ultrapassaram o NBI destes equipamentos, sendo necessária a

inserção de pára-raios de proteção nos três transformadores. Para o lado da baixa tensão

(220 V), verificou-se que, sem a adição de supressor de surto, os níveis de tensão de surto

são demasiadamente elevados, apresentando piora para a resistência de 100 Ω. Contudo,

34

a adição do supressor de surto mostrou-se bastante eficaz, pois o nível de tensão de surto

sofreu uma redução drástica, além de apresentar também uma tendência de crescimento

conforme se aumenta o valor da resistência de terra. Para os casos apresentados, pode-se

ressaltar que o valor da resistência de aterramento dos transformadores de distribuição

possui influência direta no nível da tensão de surto que atinge a baixa tensão. Quanto maior

o valor desta resistência maior será o nível da tensão de surto que reflete na baixa tensão

devido à incidência de descargas atmosféricas.

Galvão et. al. (1997) mostram os estudos desenvolvidos num âmbito de cooperação

científica entre Eletrobrás Furnas e USP para determinar as condições de aplicação, tipo e

valores nominais de pára-raios de linha, visando a sua aplicação em algumas linhas de

transmissão em 138 kV para melhorar o seu desempenho frente a surtos atmosféricos.

Descrevem-se os cálculos efetuados para definir as características dos pára-raios, sua

posição ao longo da linha e o desempenho operativo da linha antes e após a instalação de

pára-raios. São apresentadas também algumas considerações com relação a custos e

confiabilidade destes equipamentos. Dessa forma, no desenvolvimento do trabalho foram

analisados os seguintes itens: determinação da influência do posicionamento dos pára-raios

nas fases, ou em torres específicas, sobre os índices de desligamentos da linha e sobre os

níveis de absorção de energia dos pára-raios; avaliação comparativa da utilização dos pára-

raios de linha em relação aos métodos clássicos de controle dos desligamentos para as

descargas atmosféricas; levantamento das características geométricas e elétricas das

linhas de transmissão e topográficas da região; análise da utilização de pára-raios com ou

sem centelhador e avaliação do desempenho da linha frente a descargas atmosféricas sem

pára-raios nas cadeias de isoladores, englobando análises que identificam regiões críticas.

Por meio de tais considerações concluiu-se que pára-raios instalados em uma torre não

propiciam uma ajuda significativa a torres adjacentes sem pára-raios, a eficácia da

aplicação de pára-raios para a redução do número global de desligamentos da linha diminui

consideravelmente na hipótese de sua instalação em torres intercaladas, e tendo-se

resistências de aterramento diferentes ao longo do trecho, os pára-raios devem ser

prioritariamente instalados nas torres de maior resistência de aterramento. Quanto aos

valores nominais dos pára-raios, verificou-se, para a faixa de 108 kV – 144 kV, influência

não significativa nos índices de desligamento. A mesma conclusão foi obtida no que se

refere à presença ou não de centelhador externo. Dessa forma, a definição do tipo e

características do pára-raios não é influenciada por este aspecto. No artigo em questão,

preferencialmente foi estudado o caso de pára-raios sem centelhador, e deste modo o pára-

raios com centelhador foi analisado de modo simplificado. Quanto ao circuito duplo, apesar

das simulações terem sido executadas para uma resistência de aterramento de valor baixo,

verifica-se a grande contribuição que a instalação de apenas um pára-raios na fase inferior

35

de um dos circuitos pode trazer para reduzir principalmente o número de desligamentos

simultâneos dos circuitos.

36

37

Capítulo 3

Descargas Atmosféricas

O acúmulo de cargas elétricas nas nuvens geralmente resulta em descargas à terra

promovendo temor e medo aos seres humanos, porém é um fenômeno natural que ocorre

em todas regiões do planeta, sobretudo nas regiões tropicais do mesmo, onde está

localizado o Brasil.

Dessa forma, tendo como base Coutinho e Altoé (2003), no presente capítulo serão

expostos os conceitos básicos sobre descargas atmosféricas, como ocorre a formação das

cargas nas nuvens e dos raios, como acontecem as descargas elétricas nuvem/terra, o que

é o efeito plasma, e em que tipo de solo há maior incidência de raios.

3.1 - CONCEITOS BÁSICOS

Descarga atmosférica: descarga elétrica de origem atmosférica entre uma nuvem e

a terra ou entre nuvens, consistindo em um ou mais impulsos de vários

quiloàmperes.

Raio: um dos impulsos elétricos de uma descarga atmosférica para a terra.

Relâmpago: luz gerada pelo arco elétrico do raio.

Trovão: ruído produzido pelo deslocamento do ar devido ao súbito aquecimento

causado pela descarga do raio.

Índice Ceraúnico (IC): é, por definição, o número de dias de trovoada, em

determinado lugar, por ano.

Isoceraúnicas: são linhas (curvas) que ligam pontos (localidades) que têm o mesmo

índice ceraúnico.

Densidade de Raios (DR): é a quantidade de raios que caem por ano em 1 km² de

área, e é calculado pela fórmula da Equação 3.1:

Equação 3.1

38

3.2 - FORMAÇÃO DAS CARGAS NAS NUVENS

Atualmente, apesar de todos os estudos sobre a formação das descargas elétricas a

formação das cargas nas nuvens é um fenômeno ainda não totalmente experimentado e

conhecido, entretanto desenvolveram-se varias teorias a respeito de tal tema.

Segundo Coutinho e Altoé (2003, p. 6), pondera-se que a Terra possui cargas

negativas em excesso o que a torna um referencial negativo. Não obstante, é sabido que as

correntes de ar ascendentes carregam consigo grande quantidade de umidade que ao

encontrar-se com temperaturas mais baixas em regiões mais altas se condensa levando à

formação de gotículas de água suspensas na atmosfera, as quais se agrupam até formar

formarem gotas maiores. Em tais gotas são induzidas cargas positivas na sua parte inferior

e cargas negativas na sua parte superior, tendo em vista o referencial negativo

proporcionado pela Terra. Ao atingirem aproximadamente cinco milímetros de diâmetro

essas gotas se tornam instáveis e se fragmentam em gotículas menores promovendo a

distribuição dos seus íons positivos na parte inferior e dos íons negativos na parte superior.

Posteriormente os íons positivos e as gotículas de água carregadas pelas correntes

de ar ascendentes colidem promovendo a entrega de elétrons das gotas neutras para os

íons positivos neutralizando-os e tornando a gota ascendente positiva. Como estas gotas se

movem ascendentemente com elevada energia cinética, elas conseguem chegar até a parte

superior das nuvens, contudo, os íons negativos ficam aglomerados na parte inferior das

nuvens em virtude da sua menor energia cinética como pode ser visto na Figura 3-1, sendo

que aproximadamente 95% das nuvens ficam carregadas dessa forma.

Grande parte das nuvens, por serem muito amplas e vastas, podem formar vários

conglomerados de cargas elétricas, podendo se partir em nuvens menores com cargas

positivas e negativas, nuvens com cargas positivas, nuvens com cargas negativas, e

nuvens com cargas positivas e negativas não equilibradas.

39

Figura 3-1: Nuvem carregada eletricamente.

Dessa forma, como já se conhece melhor como se formam as cargas nas nuvens,

pode-se visualizar o processo de descarga e formação do raio.

3.3 - FORMAÇÃO DO RAIO

Como visto anteriormente, a parte inferior da nuvem carrega-se negativamente, logo

se induz uma concentração de cargas positivas no solo com área equivalente ao tamanho

da nuvem carregada negativamente, e que acompanha o movimento da mesma ao ser

arrastada pelo vento, fazendo com que as cargas positivas desloquem-se escalando

árvores, prédios, pessoas, pontes, morros, pára-raios, e carros.

Não obstante, segundo Coutinho e Altoé (2003, p. 8) o ar é considerado um dos

melhores isolantes entre os que existem quando submetido a baixas diferenças de

potencial, entretanto, para altas diferenças de potencial o mesmo começa a conduzir

eletricidade. Dessa maneira, se pode classificar o ar como um dielétrico, uma vez que não

existe um isolante elétrico perfeito que nunca conduz eletricidade, já que todos os materiais

podem ser isolantes ou condutores, uns melhores que outros, dependendo da tensão

elétrica a eles aplicada. Cabe aqui lembrar que os dielétricos são substâncias que possuem

alta resistência ao fluxo da corrente elétrica, pois não existem cargas livres na sua estrutura

interna. A Tabela 3-1 apresenta algumas das constantes dielétricas mais utilizadas:

40

Tabela 3-1: Principais Constantes Dielétricas.

Material Constante Dielétrica Campo de Ruptura V/cm

Ar 1 3x10⁴

Óleo 2,3 1,5x10⁵

Papel 3 2x10⁵

Porcelana 7 2x10⁵

Vidro 6 3x10⁵

Parafina 2 3x10⁵

Quartzo fundido 4 4x10⁵

Polietileno 2,6 5x10⁵ Mica 6 2x10⁶

Além disso, de forma ilustrativa imagina-se a aplicação de um campo elétrico em um

corpo isolante, que no caso em estudo é o ar, sobrepondo-o entre dois pólos eletrizados de

sinais opostos, neste caso o chão e as nuvens. Assim, atuará sobre os elétrons do ar uma

força elétrica tendendo a arrancá-los dos seus átomos. Segue então, que se o campo

elétrico aplicado for intenso o bastante, os elétrons serão arrancados e se tornarão elétrons

livres, de maneira que se criará um amplo número de íons positivos e negativos no ar.

Dessa maneira, em virtude da existência destes íons, o ar se tornará condutor de

eletricidade fazendo com que seja possível o aparecimento de corrente elétrica, que se

apresentará na forma de raios.

Ademais, em condutores elétricos eletrizados as cargas elétricas se concentram nas

suas pontas tornando o campo elétrico nessas regiões mais intenso do que nas demais.

Com isso, a força de repulsão elétrica entre as cargas sofre significativo aumento

acarretando a expulsão das cargas elétricas das pontas, as quais passam a escoar para

fora do condutor e se deslocar livremente pelo o ar. É neste momento que a descarga

elétrica se dá com a aproximação destes dois canais e o rompimento da resistência do ar

fazendo com que ocorra maior ionização do mesmo ao longo do percurso da descarga e

facilitando a condução de eletricidade entre nuvem e solo. Depois disso, ao chegar entre 20

m e 50 m a ponta do líder, ou seja, do raio principal da descarga acarreta o surgimento de

outra descarga, chamada descarga de conexão, a qual parte do solo fechando o circuito

que liga a terra à nuvem.

Outrossim, os acontecimentos acima descritos são tão rápidos que o olho humano

não consegue distinguir suas etapas, uma vez que o raio piloto constituído descarrega parte

da carga da nuvem no solo com velocidade de aproximadamente 1.500 km/s, e após essa

descarga, um canal de ar ionizado de baixíssima resistência elétrica forma-se entre a

nuvem e a terra, curtocircuitando-as e acarretando a descarga principal, ou descarga de

41

retorno, que vai da terra para a nuvem com velocidade de 30.000 km/s, como se vê na

Figura 3-2.

Figura 3-2: Descarga elétrica entre a nuvem e a terra.

Ressalta-se que no raio principal a amplitude dos picos de corrente pode alcançar

valores entre 2.000 e 200.000 Ampères, sendo ainda possível a ocorrência de uma terceira

descarga de curta duração com correntes entre 100 e 1.000 Ampères, completando, com as

três descargas, a formação dos temidos raios.

Além disso, é sabido que próximo à Linha do Equador, da totalidade de raios de uma

tempestade, a maioria ocorre entre nuvens, ou seja, paralelamente à superfície da terra,

mas à medida que a latitude aumenta, essa tendência diminui.

3.4 - DESCARGA ELÉTRICA NUVEM/TERRA

3.4.1 - PRECURSOR

Segundo Coutinho e Altoé (2003, p. 13) um piloto descendente (precursor), ou seja,

um canal condutor ionizado, que caminha por saltos sucessivos em direção à terra origina-

se a partir da ruptura do dielétrico formado pelo ar no momento em que o potencial de uma

nuvem carregada relativamente à terra ultrapassa determinado valor. Esta descrição só é

possível através de uma técnica fotográfica adequada a qual mostra uma linha quebrada

descendente de trechos retilíneos com orientações aleatórias, já que tais orientações

dependem das heterogeneidades no entorno da cabeça de cada trecho precedente, como

mostram a Figura 3-3 e a Figura 3-4.

42

Figura 3-3: Precursor ou piloto descendente e ponto de impacto da descarga na terra.

De igual maneira, por meio do exame de fotos de várias descargas depreendeu-se

que o comprimento de cada salto R é função da carga da nuvem que origina essa

descarga, como pode ser visto na Tabela 3-2 que evidencia tais valores para correntes de

descarga mínimas interceptadas nos quatro níveis de proteção normalizados. Salienta-se

que os valores da porcentagem de raios captados resultaram de investigação de 2721

descargas ocorridas no hemisfério norte e realizada em 1945, logo no Brasil tais

porcentagens devem ser diferentes.

Tabela 3-2: Correntes de descarga mínimas interceptadas nos quatro níveis de proteção

normalizados.

Comprimento de cada salto R para as correntes de descarga mínima interceptadas nos quarto níveis de proteção normalizados

Nível de Proteção Corrente de Raio (kA) Comprimento do Salto (m) % de Raios

Captados I 3,7 20 -98

II 6,1 30 -80 III 10,6 45 -70

IV 16,5 60 -60

Por fim, tendo em mente que os raios avançam por saltos com direções aleatórias e

com comprimentos de dezenas ou até centenas de metros, o seu ponto de impacto só é

definido no último salto, portanto quanto maior a corrente do raio mais facilmente o mesmo

é captado.

43

Figura 3-4: Descarga descendente, com piloto ascendente (à direita) para um ramo lateral da

descarga.

3.4.2 - ÚLTIMO SALTO

Novamente, segundo Coutinho e Altoé (2003, p. 16) sabe-se que o último salto da

descarga fecha o circuito entre a nuvem e o ponto de impacto na terra, o qual faz as vezes

de captor de descarga, sendo que podem ocorrer descargas sucessivas pelo mesmo canal

condutor em curtos espaços de tempo.

Em tempestades, por exemplo, durante o avanço do piloto descendente à terra, o

campo elétrico existente na superfície do captor faz surgir um piloto ascendente

aumentando a eficácia do mesmo ao fechar o circuito de descarga através do encontro dos

dois pilotos.

Além disso, os captores geram pilotos ascendentes, os quais podem atingir metros

ou até quilômetros de comprimento, quando da aproximação da descarga iminente fazendo

que o ponto de fechamento do circuito se distancie do mesmo, o que também aumenta sua

eficiência.

3.5 - DESCARGA

Os relâmpagos podem originar-se de uma ou várias descargas, chamadas

descargas de retorno, sendo que no primeiro caso ele é chamado de relâmpago simples e,

no segundo, de relâmpago múltiplo.

44

As descargas ou correntes de retorno são responsáveis por neutralizar as cargas

aglomeradas nas nuvens, uma vez que partem da terra e são extremamente intensas,

porém poderão ocorrer novas descargas se as cargas transferidas forem insuficientes.

Dessa forma, a descarga, propriamente dita, ao contrário do precursor, se desenvolve da

terra para a nuvem, como se vê na Figura 3-3, na qual a mesma corresponde ao último

trecho de formação das descargas.

Além disso, estudos revelaram que cada descarga de retorno dura algumas

centenas de microssegundos e, em relâmpagos múltiplos, o intervalo de tempo entre as

descargas de retorno consecutivas é tipicamente de milissegundos.

3.6 - INCIDÊNCIA DE RAIOS

Ainda segundo Coutinho e Altoé (2003, p. 17) há maior incidência de raios em locais

mais altos como torres, árvores e prédios, sendo que os raios tendem a incidir em regiões

com terrenos maus condutores em virtude da formação de um “capacitor” entre a nuvem e o

mesmo. Além disso, em terrenos maus condutores não há condições de escoamento dos

raios o que faz com que os mesmos procurem caminhos de menor resistência para se

distribuir. Como exemplo de terrenos maus condutores tem-se os granitos e os xistosos, e

os calcários como exemplo de terreno bom condutor.

Ademais, uma forma de identificar terrenos mais propensos à incidência de raios é

por meio da manifestação de um cheiro adocicado indicando a presença de ozônio em

virtude da ionização do ar decorrente da diferença de potencial entre nuvem e solo, uma

vez que essa ionização diminui a distância de isolação entre os mesmos causando um

aumento da probabilidade do raio piloto furar a camada de ar e incidir nessa região.

Ressalta-se que em regiões de muita precipitação e com fortes tempestades a

incidência de raios também é maior.

45

Capítulo 4

Sistema de Proteção Contra Descarga Atmosférica

A partir dos estudos realizados a respeito dos diferentes métodos que podem ser

utilizados para proteger e melhorar o desempenho de linhas de transmissão frente aos

distúrbios provocados por descargas atmosféricas destacou-se o SPDA como um dos

principais métodos empregados para este fim, mais precisamente empregando os pára-

raios de óxido de zinco.

Sendo assim, baseando-se em Santos (2007) e em Silva e Junior (2004) a seguir

será apresentada a função e composição dos SPDAs, bem como os conceitos básicos

sobre pára-raios, especificando as características construtivas dos pára-raios a óxido de

zinco, seu envelhecimento e degradação, desempenho frente a surtos atmosféricos, além

de também serem mostrados os conceitos, finalidades, requisitos e fatores que influenciam

na realização de aterramentos.

4.1 - FUNÇÕES E DEFINIÇÕES DE SPDA

O SPDA, sistema de proteção contra descargas atmosféricas, é um sistema

designado a proteger diferentes tipos de estruturas contra os efeitos das descargas

atmosféricas, e tem como objetivo evitar e/ou minimizar o impacto dos efeitos das mesmas.

Sua composição e principais funções são as seguintes:

Sistema externo de proteção: sistema que consiste em subsistema de captores,

subsistema de condutores de descida e subsistema de aterramento.

Sistema interno de proteção: conjunto de dispositivos que reduzem os efeitos

elétricos e magnéticos da corrente de descarga atmosférica dentro do volume a

proteger, sendo composto pelos dispositivos de proteção contra surtos (DPS).

A instalação de um SPDA tem duas funções, as quais são:

Primeira Função: neutralizar, pelo poder de atração das pontas, o crescimento do

gradiente de potencial elétrico entre o solo e as nuvens, através do permanente

escoamento de cargas elétricas do meio ambiente para a terra.

46

Segunda Função: oferecer à descarga elétrica que for cair em suas proximidades

um caminho preferencial, reduzindo os riscos de sua incidência sobre as estruturas.

Cabe lembrar que a instalação de um SPDA não impede a ocorrência de raios e

nem tão pouco atrai raios.

4.2 - COMPOSIÇÃO DOS SPDAS

O SPDA é formado pelos subsistemas de captação, descida e aterramento

(Coutinho e Altoé, 2003), os quais são descritos abaixo:

Captação:

Têm como função receber as descargas que incidam sobre o topo das estruturas e

distribuí-las pelas descidas;

Compõem-se por elementos metálicos, geralmente mastros ou condutores metálicos

adequadamente dimensionados.

Descidas:

Têm como função receber as correntes distribuídas pela captação encaminhando-as

para o solo o mais rápido possível;

As descidas deverão ser interligadas no nível do solo com cabo de cobre nu de

seção 50 mm² no mínimo.

Aterramento:

Tem a função de receber as correntes elétricas das descidas e dissipá-las no solo;

Deve ser dimensionado para equalizar os potenciais das descidas e do solo

observando-se os locais de freqüência de pessoas onde se deve procurar minimizar

as tensões de passo.

É necessário realizar a prospecção da resistividade de solo a fim de realizar o

adequado dimensionamento da malha de aterramento.

4.3 - PÁRA-RAIOS

É necessária a instalação de dispositivos de proteção com a finalidade de prevenir e

evitar que os equipamentos de um sistema elétrico ou de uma instalação industrial sejam

danificados por sobretensões, sendo os pára-raios os equipamentos mais indicados para

47

esta finalidade. Tais dispositivos devem atuar como limitadores de tensão, impedindo que

valores acima de um determinado nível pré-estabelecido possam alcançar os equipamentos

para os quais fornecem proteção.

Os pára-raios são equipamentos habitualmente usados para proteger o isolamento

de vários tipos de dispositivos elétricos, tais como transformadores reguladores de tensão,

e linhas de transmissão e distribuição. Os mesmos funcionam como uma alta impedância

sob tensão nominal de operação e como uma baixa impedância durante a condição de

surto de tensão. Além disso, atuam na condução de corrente ao solo ao mesmo tempo em

que limitam a solicitação de tensão imposta ao equipamento protegido ao valor da sua

tensão residual acrescida à queda de tensão indutiva devido à corrente de descarga no

condutor de descida para a terra (Santos, 2007).

Ademais, os pára-raios são empregados na proteção do isolamento de LTs e linhas

de distribuição (LDs) contra descargas atmosféricas, e para anteparar falhas dielétricas

evitando interrupções no fornecimento de energia elétrica. Para a seleção das tensões

nominais dos pára-raios a serem usados nos projetos de proteção é preciso consultar as

normas técnicas e os catálogos dos fabricantes de pára-raios.

Adverte-se que na proteção de equipamentos como cabos subterrâneos se faz

necessária a escolha de pára-raios com os níveis de proteção reduzidos, mas para a

proteção de linhas aéreas isto não é preciso já que os níveis de proteção dos pára-raios

geralmente são inferiores aos níveis de isolamento das mesmas (Santos, 2007).

Ressalta-se que um pára-raios corretamente instalado reduz significativamente os

perigos e os riscos de danos, pois captará os raios que iriam cair nas proximidades de sua

instalação, contudo é preferível não ter pára-raios algum a ter pára-raios mal instalados.

4.3.1 - TIPOS DE PÁRA-RAIOS

Atualmente há diferentes tipos de pára-raios disponíveis como, por exemplo, pára-

raios convencionais com centelhadores a carboneto de silício (SiC) e pára-raios a óxido

metálico com ou sem centelhadores. Quando se analisa a proteção do isolamento de LTs e

LDs realizada por estes dois tipos de pára-raios depreende-se que apresentam

desempenho similar, porém considerando-se margens de segurança conservadoras as

diferenças nos níveis de proteção levam a pequenas diferenças na qualidade da proteção

oferecida ao isolamento.

A Figura 4-1 mostra as características não lineares dos dois materiais fundamentais

para a construção dos blocos utilizados nos pára-raios, o ZnO e o SiC.

48

Figura 4-1: Característica tensão x corrente para o SiC e o ZnO.

Observa-se que o ZnO apresenta uma característica não linear superior à do SiC na

região de intensidades de correntes mais baixas, o que o faz um melhor material para a

construção dos pára-raios, uma vez que podem proporcionar melhores níveis de proteção.

Além disso, analisando-se a expressão I = k.Vn, a qual representa a característica não

linear dos resistores a ZnO e SiC verifica-se que o SiC tem expoente n na ordem de 4

enquanto que o ZnO apresenta um expoente n na ordem de 50. Devido a esta alta não

linearidade do ZnO foi possível o abandono do centelhador antes necessário para os pára-

raios convencionais, simplificando substancialmente a construção dos mesmos e

aumentando a confiabilidade destes dispositivos. Ademais, tal variação permite de um

ponto de vista geral que os pára-raios a ZnO sejam desenhados para conduzirem correntes

de baixa amplitude ao serem submetidos a sobretensões de manobra ou atmosférica sem

que percam a característica de também escoarem correntes de elevada amplitude.

Portanto, em decorrência da revisão bibliográfica e dos estudos necessários para o

desenvolvimento deste trabalho constatou-se que os pára-raios de óxido metálico, ou ZnO,

se adéquam melhor a este projeto, e, conseqüentemente serão tratados com mais detalhes

a seguir.

4.3.2 - PÁRA-RAIOS A ÓXIDO DE ZINCO

A seguir serão fornecidas as características construtivas, de envelhecimento e

degradação, e de desempenho frete a surtos atmosféricos dos pára-raios a ZnO, além das

características dos resistores de ZnO que compõem este tipo de pára-raios.

49

4.3.2.1 - CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS DOS PÁRA-RAIOS A

ZNO

Segundo Santos (2007, p. 68) os pára-raios a óxido de zinco, ou oxido metálico,

geralmente são construídos por um ou mais resistores e habitualmente não têm a

necessidade de utilização de centelhadores, como se vê na Figura 4-2, sendo também

chamados de elementos válvula.

Observando-se a Figura 4-2 nota-se que a construção dos pára-raios a oxido de

zinco é bastante semelhante à de um pára-raios a carboneto de silício, exceto pela

ausência de centelhadores. Além disso, como os resistores a ZnO possuem dimensões

menores que os a carboneto de silício são usados espaçadores internos em sua construção

visando facilitar a manutenção das distâncias externas determinadas pelas condições

exteriores de isolamento.

Figura 4-2: Vista em corte de um pára-raios para sistemas de distribuição.

Devido a sua alta não linearidade, os resistores dos pára-raios a óxido de zinco

podem operar como se possuíssem um centelhador interno quando submetidos às

solicitações normais de operação ou às sobretensões do sistema, ou seja, como se seus

resistores tivessem um mecanismo interno de disparo, não havendo, portanto, a

necessidade de centelhadores para este tipo de pára-raios, como dito anteriormente.

Dessa maneira, os pára-raios a ZnO possuem melhor desempenho que os a SiC

frente a descargas, sobretudo de manobra, uma vez que apresentam comportamento ativo

em relação ao sistema em que estão conectados, o que vem fazendo com que os mesmo

substituam os pára-raios a SiC em sistemas de alta e extra alta tensão principalmente.

50

Além disso, a resistência apresentada pelos resistores a ZnO varia com a tensão de

modo proporcionalmente muito maior que a dos resistores a SiC. No entanto, os resistores

a ZnO permitem o passagem de uma pequena corrente de fuga resultando em perdas de

potência ao circular pelos mesmos sob tensão e freqüência industrial, sendo que esta perda

é proporcional à tensão e à temperatura dos pára-raios.

Por fim, atualmente alguns tipos de resistores a ZnO produzidos no Brasil possuem

uma grande tendência a aumentar a perda de potência com o decorrer do tempo resultando

no aumento da temperatura dos mesmos. Em detrimento deste fato, os pára-raios a ZnO

sem centelhadores podem sofrer um fenômeno de avalanche térmica conhecido por

Thermal Runaway, que consiste no aumento descontrolado da temperatura, a qual pode

subir rapidamente e danificar o pára-raios por meio da formação de pontos de

superaquecimento, fusão e tensões devido aos elevados gradientes da mesma (Santos,

2007).

4.3.2.2 - CARACTERÍSTICAS DOS RESISTORES A ZNO

A partir de Santos (2007, p. 71) destaca-se que as principais características dos

resistores não lineares a ZnO são as seguintes: resistores cerâmicos, cilíndricos, de alta

densidade, usualmente da ordem de 5,4 g/cm3 a 5,6 g/cm3, obtidos por meio da moldagem

a altas pressões e sinterização a altas temperaturas, geralmente sob atmosfera oxidante.

Em virtude do seu arranjo, as junções óxido de zinco - camada intergranular

apresentam cargas fixas que formam regiões de depleção, o que faz com que ocorra a

formação de barreiras simétricas ao redor dos grãos de ZnO e na camada intergranular que

os envolvem conhecidas como Barreiras de Schottky. Estas barreiras simétricas causam o

desempenho não linear destas junções e, conseqüentemente, dos resistores, o que torna

possível afirmar que cada conjunto camada intergranular - grão de óxido de zinco - camada

intergranular opera como um circuito ceifador, com tensão de corte em torno de 2,5 V a 3 V

de crista.

Dessa forma, por meio da Figura 4-3 tem-se que a característica tensão versus

corrente para um resistor a ZnO possui três regiões distintas, descritas da seguinte forma:

uma região linear para baixas densidades de corrente (Região – I); uma região de transição,

altamente não linear, (Região – II); e uma região linear para altas densidades de corrente,

(Região – III).

51

Figura 4-3: Regiões condutoras da característica tensão versus corrente de um resistor a

óxido metálico.

Estas características podem ser explicadas por meio do mecanismo Schottky, sendo

as três regiões anteriormente mencionadas descritas e definidas a seguir. A Região - I é

definida como a região de baixa densidade de corrente, na qual a tensão aplicada resulta

em um campo elétrico de baixa densidade, insuficiente para promover uma diminuição

expressiva na altura das barreiras de potencial, fazendo com que o resistor a ZnO

apresente comportamento característico de um resistor linear de alto valor. Já a Região - II

é definida como a região de média densidade de corrente, em que o aumento da tensão

aplicada acarreta um aumento do campo elétrico, e por conseguinte causa uma redução da

altura das barreiras de potencial, obrigando que o resistor a ZnO passe a apresentar

desempenho altamente não linear. Entretanto, há redução das barreiras de potencial até

certo limite a partir do qual o resistor a ZnO volta a proporcionar um comportamento igual

ao de um resistor linear de baixo valor, controlado pelo desempenho linear dos cristais de

óxido de zinco, fazendo com que o resistor atue na Região – III, ou seja, na região de alta

densidade de corrente.

4.3.2.3 - ENVELHECIMENTO E DETERIORAÇÃO DOS RESISTORES A ZNO

Novamente, segundo Santos (2007, p. 75) sabe-se que os resistores a ZnO ao

serem expostos a sua tensão normal de operação em freqüência industrial necessitam

52

consumir potência, estando esta profundamente relacionada à componente resistiva da

corrente de fuga, a qual é crescente ao longo do tempo, constituindo um processo de

envelhecimento.

Atualmente, há três gerações de resistores a óxido de zinco cujo desempenho frente

a uma determinada tensão em freqüência industrial sugere que os resistores mais

modernos possuam uma tendência a se auto-estabilizarem quando submetidos a estas

solicitações, como se vê na Figura 4-4.

Não obstante, como mostrado na Figura 4-4 a vida operacional de um resistor a ZnO

pode ser decomposta em três regiões, as quais são definidas da seguinte maneira:

Região I: região estável na qual ocorre o envelhecimento do resistor;

Região II: região na qual acontece um pequeno acréscimo na taxa de crescimento

da corrente de fuga tornando difícil a manutenção do equilíbrio térmico, evidenciando o

início do processo de instabilidade;

Região III: região na qual se processa um grande aumento na taxa de crescimento

da corrente de fuga e perda do equilíbrio térmico, ratificando o processo de instabilidade, e

onde se averigua o acontecimento do fenômeno de Thermal Runaway.

Figura 4-4: Característica potência consumida versus tempo para resistores a óxido metálico

de primeira, segunda e terceira geração.

Além disso, a teoria de envelhecimento dos resistores a ZnO baseada nos

Resistores de Primeira Geração, assim como a teoria empregada para examinar o

envelhecimento dos dielétricos, é balizada na idéia de vida útil proposta pelo Método de

Arrhenius – Dakin. Tal método fundamenta-se em determinar qual tempo necessário para

que se tenha um consumo de potência duas vezes maior que o inicial, sendo que se deve

53

submeter os resistores a diferentes temperaturas e tensões para tanto. Salienta-se que

compete especificamente ao fabricante definir o fim da vida útil dos pára-raios uma vez que

a mesma é parâmetro intrínseco ao procedimento de manufatura e construção desses

dispositivos.

Ademais, o envelhecimento dos resistores a ZnO também origina-se das descargas

de surtos de corrente de origem atmosférica e de manobra, sendo que o mesmo é

fundamentalmente condicionado à forma do impulso da descarga, densidade de corrente

através do resistor, temperatura do resistor, polaridade dos surtos e número de descargas,

como se vê na Figura 4-5 e na Figura 4-6. Estas se referem aos impulsos atmosféricos e

aos impulsos de manobra respectivamente, e por meio das quais se conclui que quanto

maior a densidade de corrente imposta aos resistores a ZnO maior será o aumento na

corrente de fuga.

Figura 4-5: Fator de correlação da corrente de fuga com o número de descargas para um

resistor a óxido de zinco típico para um surto de 8x20µs – 400A/cm².

54

Figura 4-6: Fator de correlação da corrente de fuga com o número de descargas para um

resistor a óxido de zinco típico para um surto de 500x1500µs – 35A/cm².

A partir do exposto depreende-se que o processo de envelhecimento dos resistores

a óxido de zinco é decorrente da evolução da corrente de fuga em virtude da aplicação

contínua de tensão em freqüência industrial e de descargas de surtos atmosféricos ou de

manobra, sendo os surtos atmosféricos os mais importantes.

4.3.2.4 - DESEMPENHO FRENTE A SURTOS ATMOSFÉRICOS

A partir de estudos constatou-se que a interação entre as descargas e a impedância

dos sistemas atingidos pelas mesmas, faz com que a amplitude e a forma da corrente de

descarga tenham uma grande variação quando comparadas ao ponto em que incidiram as

descargas. Dessa forma, o grau de dispersão estatística imposto aos pára-raios pelas

sobretensões de origem atmosférica faz com que seja necessário dimensioná-los de

maneira que os mesmos possam suportar todo o espectro possível de correntes de

descargas.

Além disso, as correntes de descargas atmosféricas com duração não muito elevada

através da sua amplitude e forma de onda solicitam os resistores não lineares dos pára-

raios de modo quase uniforme, impedindo sua concentração em canais condutores

responsáveis pelo fenômeno chamado Tunneling, o qual pode resultar em outro fenômeno

conhecido por Thermal Cracking, que se caracteriza pela manifestação de solicitações

55

mecânicas originadas da expansão desigual de partes do resistor em virtude da distribuição

não uniforme da temperatura (Santos, 2007).

Não obstante, as normas da ABNT definem que as solicitações impostas aos pára-

raios a ZnO em virtude de descargas atmosféricas são delineadas por meios do ensaio do

ciclo de operação combinado, com o qual são aplicadas aos pára-raios as diferentes

solicitações sofridas pelos mesmos durante sua vida útil em um em curto espaço de tempo.

Neste contexto, as normas responsáveis pela averiguação do comportamento dos pára-

raios vêm sendo realizadas através de práticas de campo, ensaios e investigações em

pára-raios removidos de operação sob condições normais e de falha, a fim de garantir uma

taxa de falha admissível.

4.4 - ATERRAMENTO

Segundo Silva e Junior (2004, p. 7) um aterramento elétrico é definido como uma

ligação elétrica proposital de um sistema físico ao solo, sendo constituído essencialmente

pelos eletrodos de aterramento, conexões destes eletrodos ao sistema a ser protegido, e a

terra que os envolve.

A finalidade de um sistema de aterramento é garantir a segurança das pessoas e

animais, que de alguma forma são beneficiados pelo mesmo, uma vez que é projetado para

impedir as correntes de modo comum, garantido tranqüilidade para os operários que

prestam manutenção nas LTs e LDs, aos usuários de uma instalação elétrica de uma casa,

prédio e empresa, e também a segurança de quaisquer equipamentos ligados a uma fonte

de energia elétrica.

Além disso, os SPDAs também são constituídos por sistemas de aterramento já que

os mesmo são incumbidos e projetados para escoar as descargas atmosféricas diretamente

para terra fornecendo às mesmas um caminho preferencial para condução das cargas

elétricas das nuvens que necessitam descer e neutralizar as cargas opostas presentes na

Terra.

4.4.1 - CONCEITOS RELEVANTES

Baseando-se em Silva e Junior (2004, p. 10) são definidos os seguintes conceitos

básicos sobre aterramento.

Sistema de aterramento: compõe-se por um conjunto de condutores, cabos, hastes

e conectores interligados, rodeados por elementos que dissipem as correntes impostas a

esse sistema para a terra.

56

Resistência de aterramento: resistência com a qual se depara a corrente elétrica ao

ser aplicada uma tensão a esse sistema, sendo a mesma composta pelos seguintes

elementos:

Primeiro elemento: resistência dos eletrodos, cabos, conexões e fiações;

Segundo elemento: resistência de contato entre os eletrodos ou cabos e o ambiente

circundante, que geralmente é terra;

Terceiro elemento: resistência do material que circunda o eletrodo ou cabo, que

novamente poderá ser a terra.

O primeiro elemento pode ser considerado desprezível ou até mesmo nulo se forem

aumentadas as seções dos cabos e eletrodos, sendo que em detrimento dos efeitos de

corrosão decorrentes do meio em que se encontra o sistema, principalmente nas conexões,

varia com o tempo, degradando a qualidade dos contatos elétricos nos pontos de conexão.

O segundo elemento também pode ser considerado pouco relevante se o eletrodo e

a terra circundante estiverem livres de gorduras, componentes orgânicos, pedras, pinturas,

vernizes e óxidos, e do mesmo modo varia com o tempo em detrimento da oxidação do

eletrodo ou cabo envolvido pelo meio circundante.

O terceiro elemento, na verdade, é quem define o valor da resistência de

aterramento, pois depende do formato e dimensões do eletrodo ou cabo, e da natureza,

umidade e temperatura do meio circundante, que na maioria das vezes é a terra.

Por fim, em casos de condução de descargas atmosféricas deve-se diminuir ao

máximo o comprimento dos cabos de interligação entre o sistema ser aterrado e a malha de

terra com o intuito de diminuir a reatância de cabo de forma a tornar mínimo o potencial sob

o componente considerado, já que as descargas possuem elevadíssima freqüência.

4.4.2 - FINALIDADES

Ainda segundo Silva e Junior (2004, p. 12) as principais finalidades dos sistemas de

aterramento são as seguintes:

Propiciar uma baixa resistência de aterramento;

Conservar valores da tensão carcaça-terra e estrutura-terra dentro do nível de

segurança para o pessoal, em caso de partes metálicas da carcaça ou estrutura

acidentalmente energizadas;

Fornecer um caminho preferencial de escoamento para a terra das descargas

atmosféricas ou sobretensões devidas a manobras de equipamentos;

57

Permitir aos equipamentos de proteção, fusíveis, e disjuntores, isolar o mais rápido

possível as falhas à terra;

Diminuir valores de tensão fase-terra do sistema, fixando a tensão de isolação a

valores determinados;

Acomodar a passagem de eletricidade estática originada por equipamentos ou por

indução a terra impedindo faiscamento.

4.4.3 - REQUISITOS

Também segundo Silva e Junior (2004, p. 12) para ser considerado perfeito um

sistema de aterramento deve conter as seguintes características:

Capacidade de condução de corrente: seu valor depende do material constituinte

dos cabos e hastes empregados, do tempo de eliminação da falha, do tipo de

conexão usada e das características do solo.

Segurança: o índice de segurança de uma instalação está sujeito ao

dimensionamento do sistema de aterramento, o qual deve ser feito para que os

potenciais resultantes de correntes de falha estejam de acordo com os limites

instituídos pelas normas técnicas.

Estabilidade: para se ter um sistema de aterramento estável é imprescindível instalá-

lo em um meio com resistividade constante em relação às condições climáticas,

sendo que isto pode ser conseguido naturalmente ou artificialmente com tratamento

do solo, por exemplo, com aplicação de bentonita.

4.4.4 - FATORES QUE INFLUENCIAM O ATERRAMENTO

Há vários fatores que podem influenciar um sistema de aterramento, dentre eles

destacam-se o tipo de solo, a geometria das malhas de aterramento, a estratificação do

solo em várias camadas, a umidade, compactação, composição química, granulometria,

porosidade, e a temperatura do solo. Tais fatores intervêm nos valores finais do projeto de

aterramento, ou seja, na resistência de malha da terra e no provável aumento do potencial

dessa malha ao ser exposta a um curto-circuito de uma fase para a terra ou de uma fase

para a malha.

Por fim, cabe lembrar que neste trabalho não foi projetado o sistema de aterramento

da linha em estudo, pois foi admitido que o mesmo possui as características ideais para seu

bom desempenho. Dessa forma, o foco deste trabalho foi à modelagem dos pára-raios no

ATP e a análise do seu desempenho.

58

59

Capítulo 5

Levantamento e Modelagem da Linha de Transmissão

A partir dos estudos realizados a respeito de sistemas de proteção contra descarga

atmosférica e tendo em vista que a técnica a ser adotada neste projeto é a de proteção por

inserção de pára-raios em uma linha de transmissão, foram contempladas algumas linhas e

modelos de linhas para que se pudesse escolher a mais apropriada a este trabalho de

pesquisa. Posto isto, foi escolhida uma linha real que liga uma usina hidroelétrica de

pequeno porte a uma subestação, a qual será descrita e modelada a seguir.

5.1 - CARACTERÍSTICAS DA LINHA REAL SELECIONADA

A linha de transmissão selecionada para este trabalho é responsável por transmitir a

energia gerada por uma usina de pequeno porte até uma subestação que a distribui. Esta

linha se localiza no interior do estado de São Paulo, mais precisamente na região de

Campinas, possui um comprimento total de 8,9 km, foi considerada adequadamente

aterrada, operava na classe de tensão de 34,5 kV, porém foi repotenciada para classe de

69 kV, tendo sido mantidas suas estruturas originais e condutores, e apenas seus

isoladores foram substituídos para se adequar à nova classe de tensão.

Ademais, apenas para fins ilustrativos são apresentadas abaixo as diferentes

estruturas existentes na linha de transmissão real empregada nesta pesquisa, nas quais se

pode constatar que a mesma não possui nenhum pára-raios instalado.

A Figura 5-1 apresenta uma estrutura do tipo “G” (CPFL [a]), na Figura 5-2 observa-

se a presença de uma estrutura do tipo “A” (CPFL [b]), na Figura 5-3 depara-se com uma

estrutura do tipo “B” (CPFL [c]), na Figura 5-4 vê-se uma estrutura do tipo “E” (CPFL [d]), na

Figura 5-5 nota-se uma estrutura do tipo “HS” (CPFL [e]), por fim, na Figura 5-6 visualiza-se

uma estrutura do tipo “HT” (CPFL [f]).

60

Figura 5-1: Estrutura do Tipo G.

Figura 5-2: Estrutura do Tipo A.

Figura 5-3: Estrutura do Tipo B.

61

Figura 5-4: Estrutura do Tipo E.

Figura 5-5: Estrutura do Tipo HS.

Figura 5-6: Estrutura do Tipo HT.

62

Cabe agora a determinação do modelo matemático que será empregado na

modelagem da linha e utilizado nas simulações pelo programa ATP, como será elucidado a

seguir.

5.2 - MODELOS MATEMÁTICOS

Existem vários modelos matemáticos empregados para representação de linhas de

transmissão, contudo, como para este projeto decidiu-se optar pelo programa ATP na

realização das simulações deve-se ter em mente os modelos por ele fornecidos.

Constata-se que o programa ATP através de sua plataforma ATPDraw (EEUG,

1987) e de seu componente LCC (Line/Cable Constants) disponibiliza cinco métodos para a

modelagem matemática de linhas de transmissão, os quais são:

PI;

JMarti;

Bergeron;

Noda;

Semlyen.

Tendo em vista os cinco modelos mencionados e as particularidades da linha

empregada no projeto, juntamente com o conhecimento adquirido com estudos anteriores,

serão comentados abaixo os modelos PI e JMarti, dado que foi avaliada a melhor

adequação dos mesmos para as simulações da linha real escolhida.

O modelo PI considera que a matriz de transformação modal é constante para todas

as faixas de freqüência, o que em geral não é verdade, mas ainda é uma aproximação boa

o suficiente para linhas de transmissão balanceadas ou aproximadamente balanceadas.

Entretanto, se a linha não é transposta e também uma configuração assimétrica da torre é

considerada, o desempenho do modelo é questionável. Por outro lado, modelos de linha

dependentes da freqüência, como JMarti, são capazes de reproduzir não somente a

freqüência natural da linha de transmissão, mas também a distorção e atenuação devido ao

efeito pelicular, produzindo resultados mais próximos da realidade.

Já o modelo PI é mais recomendado para linhas de transmissão curtas, até 15 km,

nas quais o tempo de viagem da onda de tensão é menor que o tempo de integração da

solução. No entanto, tal modelo é impróprio para linhas com comprimentos superiores a 15

km, e nestes casos a teoria de ondas viajantes é usada no desenvolvimento de modelos

mais realistas (Watson, Arrillaga, 2003).

Ademais, como já explicado anteriormente, nas simulações implementadas neste

projeto serão empregados os modelos JMarti e PI, quando necessário considerar ou não a

63

dependência da freqüência, respectivamente. Esse fato se deve, primeiramente, ao

comprimento da linha que é de 8, 915 km, o que configura uma linha curta e, portanto se

adéqua ao modelo PI. Contudo, apesar deste modelo estar de acordo com o que indica

Watson e Arrillaga (2003), ele não leva em consideração freqüências diferentes da

fundamental, o que leva a escolha do modelo JMarti, além do modelo PI, para realização

das simulações de transitórios pertinentes ao estudo, posto que esse modelo é dependente

da freqüência.

Dessa maneira, tendo sido feita a escolha dos modelos matemáticos para realização

das simulações, cabe agora apresentar tal linha modelada usando o programa ATP.

5.3 - MODELAGEM DA LINHA REAL SELECIONADA NO

SOFTWARE ATPDRAW

Baseando-se em Biasotto (2009, p. 80) foram feitos estudos para representar a linha

de transmissão pelo programa escolhido para esta pesquisa e tornaram-se necessárias

algumas considerações a respeito da composição e disposição geométrica da mesma, tais

como:

Altura a meio vão;

Distância entre os condutores e entre os condutores e o solo;

Resistividade do solo;

Potência de curto-circuito nas subestações;

Tensão e comprimento da linha;

Diâmetro do condutor.

Por meio das considerações acima descritas, a rede foi modelada usando o ATP,

com a execução da rotina LCC para o cálculo dos parâmetros elétricos da linha baseados

nos valores da tabela de condutores conforme encontrado em Fuchs (1979). Tais valores

sustentaram a configuração da modelagem proposta e, viabilizaram as simulações dos

transitórios eletromagnéticos para a determinação dos valores de tensão e corrente ao

longo da linha frente a distúrbios de natureza interna e externa, como as descargas

atmosféricas.

Na Figura 5-7, tem-se o componente LCC (Line/Cable Constants) fornecido pelo

programa ATP por meio da interface ATPDraw e com o qual foram calculados os

parâmetros acima mencionados. Evidencia-se também que com o componente LCC pode-

se escolher o modelo matemático que será empregado, como mencionado na seção 5.2

anteriormente. Não obstante, também se pode inserir o valor da resistividade do solo, a

64

forma de cálculo dos parâmetros distribuídos variando com a freqüência, o comprimento da

linha, a transposição ou não da mesma e o número de fases do sistema a ser

implementado (Biasotto, 2009).

Figura 5-7: Tela inicial do componente LCC.

A Figura 5-8 demonstra que por meio do componente LCC inserem-se os dados que

caracterizam os condutores do sistema em análise, tais como: o raio interno e externo do

condutor, sua resistência, as distâncias horizontais e as alturas dos condutores, na torre e

no meio vão, em relação ao solo (Biasotto, 2009).

65

Figura 5-8: Entrada dos dados dos condutores do sistema simulado.

A partir do exposto, os conceitos e ferramentas necessárias para a modelagem da

linha já foram obtidos e, portanto faz-se necessária a apresentação da linha no seu modelo

simplificado.

A Figura 5-9 demonstra o modelo simplificado da linha composto por oito

componentes LCC que representam o agrupamento de trechos com estruturas semelhantes

da mesma, os quais contêm sua composição e disposição geométrica, e na qual se tem os

componentes USG e SOZ simulando a usina e a subestação respectivamente. Ressalta-se

que para essa modelagem foram feitas algumas aproximações quanto às distâncias entre

condutores levando em consideração a estrutura mais problemática referente às distâncias

entre condutores e entre condutor e solo, uma vez que a linha apresenta estruturas

diversificadas.

USG LCC

0.119 km

LCC

1.784 km

LCC

0.601 km

LCC

3.42 km

LCC

0.845 km

LCC

1.485 km

LCC

0.483 km

LCC

0.177 km

SOZ

SAT

Y

Figura 5-9: Modelo simplificado da linha.

Dessa forma, como a linha já foi devidamente modelada e seus parâmetros obtidos

pelo componente LCC, além de definidos os modelos matemáticos mais adequados às

configurações da mesma, resta então executar as simulações de descargas atmosféricas.

66

67

Capítulo 6

Análise e Simulação das Sobretensões Causadas pela Ocorrência de Descargas Atmosféricas

Neste capítulo serão apresentadas as simulações de descargas atmosféricas a fim

de observar os diferentes níveis de sobretensão em alguns pontos específicos da linha de

transmissão estudada, e por meio destas sobretensões definir qual a mais elevada e em

que ponto ocorre para modelar os pára-raios a serem implementados.

6.1 - SIMULAÇÃO DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Para realizar estas simulações os trechos da linha foram modelados segundo o

modelo JMarti, dado que para este tipo de simulação a dependência da freqüência é

relevante, pois a atenuação e distorção sofridas são consideráveis e é necessário um

refinamento das formas de onda de tensão para análise da ocorrência das descargas

atmosféricas. Também cabe ressaltar que no caso de transitórios que envolvem altas

freqüências no seu sinal de tensão, tais como as descargas atmosféricas, a utilização do

modelo PI causa uma superestimação dos valores de tensão, evidenciando a necessidade

de um modelo que considera a impedância da linha para as várias faixas de freqüência que

constituem o transitório, como é o caso do modelo JMarti.

Outrossim, de acordo com Diesendorf (1974) 65% das descargas atmosféricas

possuem uma corrente igual ou inferior a 10 kA, com um tempo de subida de 1,2 µs e um

tempo de descida de 50 µs, os quais foram tomados como base para as simulações

realizadas sobre a linha em análise. Dessa forma, as descargas atmosféricas simuladas

possuem forma de onda com tempo de subida de 1,2 µs, tempo de descida com 50 µs,

corrente de descarga variando entre 10 kA, 4,5 kA e 2,5 kA, impedância do canal de

ionização do ar de 1 kΩ ou 3 kΩ, sendo os pontos 2, 5 e 8 da linha em estudo utilizados

tanto como pontos de incidência de falta quanto como pontos de medição das sobretensões

geradas pelas descargas.

68

Destaca-se que, como o interesse deste trabalho é analisar o comportamento da

linha durante as simulações, as extremidades da mesma foram aterradas,

desconsiderando-se dessa forma as fontes equivalentes de tensão que representavam a

usina e a subestação.

A Figura 6-1 representa o modelo simplificado da linha composto por oito

componentes LCC, os quais contêm a composição e disposição geométrica de cada trecho

da mesma. Também se observa na Figura 6-1 uma fonte Heidler Type 15 responsável por

conceber as diferentes amplitudes de descarga, um Splitter empregado para selecionar as

fases de forma individual e uma resistência em paralelo representando o canal de ionização

do ar (Diesendorf, 1974). Salienta-se que neste trabalho as simulações foram

implementadas com as descargas sendo aplicadas na FASE C do condutor, porém

poderiam ter sido aplicadas na FASE A e FASE B de igual maneira sem prejuízo algum

para as simulações. Além disso, a mesma representa o caso de uma descarga atmosférica

com incidência no ponto 2 e medição nos pontos 2, 5 e 8. Cabe aqui denotar que os pontos

2, 5 e 8 localizam-se entre os componentes LCC de comprimento 0,119 km e 1,784 km,

3,42 km e 0,845 km, 0,483 km e 0,177 km, respectivamente.

LCC

0.119 km

LCC

1.784 km

LCC

0.601 km

LCC

3.42 km

LCC

0.845 km

LCC

1.485 km

LCC

0.483 km

LCC

0.177 km

VV

H

VPonto 1Ponto 2 Ponto 3 Ponto 4 Ponto 5 Ponto 6 Ponto 7 Ponto 8

Ponto 9

Figura 6-1: Modelo simplificado da linha para simulações de descargas atmosféricas.

Posto isto, para fins de comparação dos valores de pico de tensão após a aplicação

de uma determinada descarga atmosférica em um ponto especifico da linha, a Tabela 6-1

apresenta os valores máximos de tensão por fase obtidos com o auxílio do ATP, sejam

estes positivos ou negativos, para cada tipo de corrente de descarga simulada, bem como

para cada tipo de impedância do canal de ionização, ponto de incidência e ponto de

medição. Ressalta-se que os pontos onde foram aplicadas e medidas as descargas e

identificados na Tabela 6-1 como ponto 2, ponto 5 e ponto 8 representam respectivamente

um ponto imediatamente após a usina, um ponto que equivale ao meio da linha

aproximadamente, e um ponto imediatamente anterior à subestação.

69

Tabela 6-1: Valores máximos de tensão em decorrência da aplicação de descargas atmosféricas.

Descargas Atmosféricas Amplitude / Canal

ionização Ponto de

Incidência Ponto de Medição Fase A (V) Fase B (V) Fase C (V)

10kA / 1000 ohms 2 2 736.744,74 872.733,45 1.906.407,00 10kA / 1000 ohms 2 5 389.603,60 383.816,17 688.947,37 10kA / 1000 ohms 2 8 404.425,85 322.787,59 321.994,93 10kA / 1000 ohms 5 2 364.127,14 348.705,84 626.381,87 10kA / 1000 ohms 5 5 -1.713.090,00 -1.494.640,00 -1.569.470,00 10kA / 1000 ohms 5 8 565.797,76 561.615,57 1.248.588,00 10kA / 1000 ohms 8 2 369.109,81 301.819,85 303.679,14 10kA / 1000 ohms 8 5 579.368,51 576.960,80 1.291.913,00 10kA / 1000 ohms 8 8 959.144,65 1.051.328,00 2.054.773,00 10kA / 3000 ohms 2 2 441.439,65 358.708,40 345.684,72 10kA / 3000 ohms 2 5 671.468,63 659.897,95 1.479.446,00 10kA / 3000 ohms 2 8 1.111.208,00 1.218.367,00 2.383.718,00 10kA / 3000 ohms 5 2 424.407,08 406.855,71 732.951,06 10kA / 3000 ohms 5 5 -2.102.250,00 -1.800.530,00 2.542.751,00 10kA / 3000 ohms 5 8 661.223,46 656.786,25 1.460.041,00 10kA / 3000 ohms 8 2 808.584,34 999.986,53 2.184.379,00 10kA / 3000 ohms 8 5 434.432,35 418.821,98 760.497,63 10kA / 3000 ohms 8 8 463.119,19 367.194,67 353.582,89 4,5kA / 1000 ohms 2 2 331.535,13 392.730,05 857.883,00 4,5kA / 1000 ohms 2 5 175.321,62 172.717,28 310.026,32 4,5kA / 1000 ohms 2 8 181.991,63 145.254,42 144.897,72 4,5kA / 1000 ohms 5 2 163.857,21 156.917,63 281.871,84 4,5kA / 1000 ohms 5 5 -770.892,32 -672.589,89 977.255,93 4,5kA / 1000 ohms 5 8 254.608,99 252.727,01 561.864,72 4,5kA / 1000 ohms 8 2 166.099,41 135.818,93 136.655,61 4,5kA / 1000 ohms 8 5 260.715,83 259.632,36 581.360,80 4,5kA / 1000 ohms 8 8 431.615,09 473.097,44 924.648,03 4,5kA / 3000 ohms 2 2 363.862,95 449.993,94 982.970,74 4,5kA / 3000 ohms 2 5 195.494,56 188.469,89 342.223,93 4,5kA / 3000 ohms 2 8 208.403,64 165.237,60 159.112,30 4,5kA / 3000 ohms 5 2 190.983,19 183.085,07 329.827,98 4,5kA / 3000 ohms 5 5 -946.011,49 -810.237,13 1.144.238,00 4,5kA / 3000 ohms 5 8 297.550,56 295.553,81 657.018,33 4,5kA / 3000 ohms 8 2 198.647,84 161.418,78 155.558,12 4,5kA / 3000 ohms 8 5 302.160,89 296.954,08 665.750,70 4,5kA / 3000 ohms 8 8 500.043,39 548.264,93 1.072.673,00 2,5kA / 1000 ohms 2 2 184.186,19 218.183,36 476.601,67 2,5kA / 1000 ohms 2 5 97.400,90 95.954,04 172.236,84 2,5kA / 1000 ohms 2 8 101.106,46 80.696,90 80.498,73 2,5kA / 1000 ohms 5 2 91.031,79 87.176,46 156.595,47 2,5kA / 1000 ohms 5 5 -428.273,51 -373.661,05 542.919,96 2,5kA / 1000 ohms 5 8 141.449,44 140.403,89 312.147,07

70

2,5kA / 1000 ohms 8 2 92.277,45 75.454,96 75.919,78 2,5kA / 1000 ohms 8 5 144.842,13 144.240,20 322.978,22 2,5kA / 1000 ohms 8 8 239.786,16 262.831,91 513.693,35 2,5kA / 3000 ohms 2 2 202.146,08 249.996,63 546.094,86 2,5kA / 3000 ohms 2 5 108.608,09 104.705,50 190.124,41 2,5kA / 3000 ohms 2 8 115.779,80 91.798,67 88.395,72 2,5kA / 3000 ohms 5 2 106.101,77 101.713,93 183.237,77 2,5kA / 3000 ohms 5 5 -525.561,94 -450.131,74 635.687,73 2,5kA / 3000 ohms 5 8 165.305,87 164.196,56 365.010,19 2,5kA / 3000 ohms 8 2 110.359,91 89.677,10 86.421,18 2,5kA / 3000 ohms 8 5 167.867,16 164.974,49 369.861,50 2,5kA / 3000 ohms 8 8 277.801,89 304.591,63 595.929,47

A partir da Tabela 6-1 depreende-se que os casos que apresentam maior pico de

tensão em virtude das descargas atmosféricas aplicadas à linha são os que possuem

corrente de descarga de 10 kA e resistência do canal de ionização de 3 kΩ. Também se

averigua que as sobretensões provocadas pelas descargas são diretamente proporcionais à

intensidade da corrente, ou seja, quanto maior a corrente da descarga, maiores serão os

picos de sobretensão medidos na linha, e que quanto maior a resistência em paralelo à

linha, representando o canal de ionização, maior será a parcela de corrente a percorrer a

mesma causando uma maior sobretensão.

A seguir, são mostrados os gráficos das simulações com respeito às situações de

descargas atmosféricas de interesse para o modelo simplificado da linha conforme

apresentado na Figura 6-1, na qual nota-se uma ligação representando uma descarga em

um ponto específico da linha, que neste caso é o ponto 2 da mesma. Dessa mesma forma,

também serão feitas as ligações para descargas em outros pontos da linha, mudando,

evidentemente, a posição da aplicação da descarga e da resistência que representa o canal

de ionização do ar, quando necessário. Adverte-se que em todas as simulações deste

trabalho a FASE A esta em cor VERDE, a FASE B em AZUL e a FASE C em VERMELHO,

nos gráficos apresentados.

Da Figura 6-1 à Figura 6-7 são expostas as formas de onda das tensões em

decorrência da aplicação de uma descarga atmosférica com corrente de 2,5 kA e

resistência do canal de ionização de 1 kΩ e 3 kΩ, nos pontos 2, 5 e 8 respectivamente.

Observando tais figuras infere-se que as sobretensões geradas em conseqüência das

descargas são maiores para os casos em que a resistência do canal de ionização é maior,

como foi constatado na Tabela 6-1.

71

-2000000

-1500000

-1000000

-500000

0

500000

1000000

1500000

2000000

0 1 2

Electrotek Concepts® TOP, The Output Processor®

Volta

ge (V

)

Time (ms)

Souzassg_pi_JMarti_Gera_Desc_atm_2.5kA_1K_trecho_2>X0001A(Type 4

Souzassg_pi_JMarti_Gera_Desc_atm_2.5kA_1K_trecho_2>X0001B(Type 4

Souzassg_pi_JMarti_Gera_Desc_atm_2.5kA_1K_trecho_2>X0001C(Type 4

Figura 6-2: Tensão nas fases “A”, “B” e “C” após a ocorrência de uma descarga atmosférica

de 2,5kA com resistência do canal de ionização de 1kΩ, aplicada no ponto 2 e medida no ponto 2 da linha.

-2000000

-1500000

-1000000

-500000

0

500000

1000000

1500000

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0 1 2


Vol

tage

(V

)

Time (ms)






72

-2000000

-1500000

-1000000

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0

500000

1000000

1500000

2000000

0 1 2


Vol

tage

(V

)

Time (ms)






-2000000

-1500000

-1000000

-500000

0

500000

1000000

1500000

2000000

0 1 2


Vol

tage

(V

)

Time (ms)






73

-2000000

-1500000

-1000000

-500000

0

500000

1000000

1500000

2000000

0 1 2


Vol

tage

(V

)

Time (ms)






-2000000

-1500000

-1000000

-500000

0

500000

1000000

1500000

2000000

0 1 2


Vol

tage

(V

)

Time (ms)





de 2,5kA com resistência do canal de ionização de 3KΩ, aplicada no ponto 8 e medida no ponto 2 da linha.

Já da Figura 6-8 à Figura 6-13 vêem-se as formas de onda das tensões em

decorrência da aplicação de uma descarga atmosférica com corrente de 4,5 kA e


Analisando tais figuras nota-se que quanto maior a corrente da descarga, maiores serão os

picos de sobretensão medidos na linha, uma vez que os picos de tensão para simulações

com corrente de descarga de 4,5 kA são maiores que os para corrente de 2,5 kA,

confirmando novamente os dados tabelados anteriormente.

74

-2000000

-1500000

-1000000

-500000

0

500000

1000000

1500000

2000000

0 1 2


Vol

tage

(V

)

Time (ms)






-2000000

-1500000

-1000000

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0

500000

1000000

1500000

2000000

0 1 2


Vol

tage

(V

)

Time (ms)






75

-2000000

-1500000

-1000000

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0

500000

1000000

1500000

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0 1 2


Vol

tage

(V

)

Time (ms)






-2000000

-1500000

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0

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1000000

1500000

2000000

0 1 2


Vol

tage

(V

)

Time (ms)






76

-2000000

-1500000

-1000000

-500000

0

500000

1000000

1500000

2000000

0 1 2


Vol

tage

(V

)

Time (ms)






-2000000

-1500000

-1000000

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0

500000

1000000

1500000

2000000

0 1 2


Vol

tage

(V

)

Time (ms)






Por fim, da Figura 6-14 à Figura 6-19 apresentam-se as formas de onda das tensões

em decorrência da aplicação de uma descarga atmosférica com corrente de 10 kA e


Avaliando tais figuras conclui-se que pico das tensões nas fases logo após o instante de

aplicação da descarga atinge valores extremamente elevados, comprovando a importância

das simulações de descargas atmosféricas em relação às sobretensões em linhas de

subtransmissão. Além disso, na Figura 6-18 observa-se que o caso mais crítico para a linha

77

ocorre quando a mesma sofre a influência de uma corrente de descarga de 10 kA com

resistência do canal de 3kΩ ratificando os dados tabelados.

-2500000

-2000000

-1500000

-1000000

-500000

0

500000

1000000

1500000

2000000

2500000

0 1 2


Vol

tage

(V

)

Time (ms)

Souzassg_pi_JMarti_Gera_Desc_atm_10kA_1K_trecho_2>X0001A(Type 4)

Souzassg_pi_JMarti_Gera_Desc_atm_10kA_1K_trecho_2>X0001B(Type 4)

Souzassg_pi_JMarti_Gera_Desc_atm_10kA_1K_trecho_2>X0001C(Type 4)

Figura 6-14: Tensão nas fases “A”, “B” e “C” após a ocorrência de uma descarga atmosférica de 10kA com resistência do canal de ionização de 1kΩ, aplicada no ponto 2 e medida no ponto

2 da linha.

-2500000

-2000000

-1500000

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0

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0 1 2


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(V

)

Time (ms)





2 da linha.

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0

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1500000

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0 1 2


Vol

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(V

)

Time (ms)





2 da linha.

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0 1 2


Vol

tage

(V

)

Time (ms)





2 da linha.

79

-2500000

-2000000

-1500000

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Vol

tage

(V

)

Time (ms)





2 da linha.

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2500000

0 1 2


Vol

tage

(V

)

Time (ms)





2 da linha.

Posto isto, analisando os dados da Tabela 6-1 e os gráficos das simulações

realizadas, observa-se que o menor valor positivo e o menor valor negativo em módulo das

sobretensões geradas pelas descargas atmosféricas simuladas são de 75,454 kV e -

373,661 kV respectivamente, os quais ocorrem para o caso em que a corrente de descarga

é de 2,5 kA e a resistência do canal de ionização é de 1 kΩ, e os valores máximos positivo

e negativo em módulo das sobretensões geradas são de 2542,751 kV para tensão positiva

e -2102,250 kV para tensão negativa, os quais ocorrem para o caso em que a corrente de

80

descarga é de 10kA, a resistência do canal de ionização é de 3kΩ e a descarga é aplicada

e medida no ponto 5 da linha.

Dessa forma, deve-se buscar por um pára-raios que suporte a sobretensão de

2542,751 kV a fim de proteger esta linha contra descargas atmosféricas diretas, e para

tanto a seguir será exposto e implementado o modelo de pára-raios proposto em Pinceti e

Giannetoni (1999).

81

Capítulo 7

Modelagem e Validação de Pára-Raios no Software ATPDraw

Neste capítulo serão apresentados os requisitos necessários para modelar um pára-

raios no software ATPDraw, além de uma visão sobre os varistores de ZnO e da

configuração do modelo de pára-raios proposto por Pinceti e Giannetoni (1999), para enfim

determinar quais as características elétricas do pára-raios necessário para a linha

selecionada e realizar a validação do mesmo.

7.1 - MODELAGEM DO PÁRA-RAIOS

Em virtude de pesquisas sobre diversos tipos de materiais para substituição do

carboneto de silício na fabricação dos varistores dos pára-raios descobriu-se no óxido de

zinco um excelente material com características bastante não-lineares. No entanto, esta

não linearidade fez com que fossem necessários estudos computacionais para que os

mesmos fossem modelados adequadamente em programas disponíveis no setor elétrico.

Neste contexto, existe no software Alternative Transients Program (ATP) a rotina ZnO Fitter,

a qual fornece subsídio para o componente MOV Type 92, uma ferramenta computacional

adequada para a modelagem deste dispositivo resistivo não-linear.

Dessa maneira, foram desenvolvidos e estudados diversos métodos para

modelagem de pára-raios no software ATP com os quais foi possível simular o

comportamento e a atuação dos mesmos frente a condições que exigissem sua atuação.

Sendo assim, o grupo de trabalho 3.4.11 do IEEE foi um dos primeiros a reunir informações

das características de varistores de óxido de zinco e propor métodos de simulá-las,

averiguando que tais equipamentos possuíam uma significativa dependência da freqüência

quando expostos a sobretensões de cunho atmosférico (IEEE, 3.4.11-1992), as quais não

eram representadas pelo modelo tradicional fornecido pelo componente MOV Type 92 do

ATP. Posteriormente, surgiram diversos métodos propostos por diferentes grupos de

82

pesquisa recomendando a utilização de componentes capacitivos, indutivos e resistivos

para representar a característica dependente da freqüência dos pára-raios.

7.1.1 - MODELO PROPOSTO POR PINCETI E GIANNETONI (1999)

O modelo proposto por Pinceti e Giannetoni (1999), escolhido para implementação

neste trabalho, baseou-se em trabalhos apresentados em artigos e confrontados com o

modelo convencional do ATP e com o modelo do grupo de trabalho 3.4.11 do IEEE (IEEE,

3.4.11-1992). Ressalta-se que este modelo foi escolhido porque representa muito bem as

características dinâmicas dos pára-raios, além de somente necessitar de parâmetros

elétricos para construir o circuito elétrico correspondente. Além disso, o modelo não precisa

de correções iterativas durante o processo de simulação, o que o torna bastante atraente do

ponto de vista de esforço computacional e disponibilidade de dados por parte dos

fabricantes.

Pinceti e Giannetoni (1999) propuseram algumas modificações no modelo IEEE

ilustrado na Figura 7-1 (IEEE, 3.4.11-1992), as quais consistem na eliminação da

capacitância do circuito, uma vez que seu efeito é pouco relevante no desempenho do

modelo, e substituição das duas resistências em paralelo com as indutâncias por uma única

resistência entre os terminais de entrada de aproximadamente 1 MΩ. Esta resistência tem a

finalidade de impedir problemas numéricos durante os cálculos computacionais.

R0

L0

MO

VU

I MO

VU

I

H

R1

L1

Figura 7-1: Modelo recomendado pelo IEEE.

A Figura 7-2 ilustra o modelo de Pinceti e Giannetoni (1999), na qual se pode ver na

extrema esquerda uma Fonte 15 do tipo Heidler, responsável por representar a aplicação

de uma descarga atmosférica no sistema. Além disso, existem dois elementos

denominados MOV, os quais são responsáveis por representar os resistores não-lineares

A0 e A1 através dos componente MOV Type 92, ou seja, representar o pára-raios.

83

L0

MO

VU

I

L1

MO

VU

I

H

Figura 7-2: Modelo proposto por Pinceti e Giannetoni (1999).

Os parâmetros indutivos do circuito são calculados pela Equação 7.1 e pela

Equação 7.2:

Nas quais se tem:

Vn: tensão nominal do pára-raios;

VR1/T2: tensão residual frente a um surto de corrente de módulo 10 kA. O tempo de

subida é 1,2 µs, enquanto que o tempo de descida não é explicitado, pois pode

assumir diferentes valores para os diferentes fabricantes. Ainda segundo os autores,

este fato não traz prejuízos ao modelo, uma vez que o pico de tensão ocorre com a

subida do impulso;

VR8/T2: tensão residual para uma corrente com frente de onda de 8 µs;

VR8/20: tensão residual para uma corrente de 10 kA e forma de onda de 8x20 µs.

As características dos resistores não-lineares A0 e A1 do modelo Pinceti e

Giannetoni são baseadas nas curvas apresentadas na Figura 7-3, e explicitadas na Tabela

7-1.

Equação 7.1

Equação 7.2

84

Figura 7-3: Característica VxI do modelo Pinceti e Giannetoni (1999).

Tabela 7-1: Características dos resistores não-lineares do modelo Pinceti e Giannetoni (1999).

Corrente (kA)

A0 A1 Tensão (pu) Tensão (pu)

2,00E-06 0,81 0,623 0,1 0,974 0,788 1 1,052 0,866 3 1,108 0,922

10 1,195 1,009 20 1,277 1,091

Cabe ressaltar que o modelo proposto leva em consideração apenas as

características elétricas para sua modelagem, desconsiderando características físicas,

como diâmetro do bloco e altura do pára-raios, tornando o desempenho do dispositivo

diretamente associado ao comportamento das indutâncias do seu circuito elétrico.

7.2 - SELEÇÃO DO PÁRA-RAIOS PARA LINHA SELECIONADA

A partir dos dados de operação fornecidos da linha, das sobretensões averiguadas

em virtude das simulações de descargas atmosféricas realizadas e expostas no Capítulo 6,

e por meios dos dados contidos no Guia do Comprador da ABB (ABB, 2004), será possível

verificar qual o melhor pára-raios para a linha em estudo.

Inicialmente, segundo o guia da ABB deve-se consultar a Tabela 7-2 para

determinar qual família de pára-raios empregar na linha.

85

Tabela 7-2: Gama de Produtos ABB (ABB, 2004).

Família de Produtos

Classificação do Pára-Raios Tipo

Tensão Max do Sistema

Um (kVrms)

Tensão Nominal

Ur (kVrms)

Requisito de Energia /

Intensidade de Descarga

Atmosférica

Resistência Mecânica

(Nm)

PEXLIM: Pára-Raios

Encapsulado em Polímero de Silicone

10 kA, IEC classe 2 PEXLIM R 24 - 170 18 - 144 Moderado 1.600

10 kA, IEC classe 3 PEXLIM Q 52 - 420 42 - 360 Alto 4.000

20 kA, IEC classe 4 PEXLIM P 52 - 420 42 - 360 Muito Alto 4.000

Como já se sabe, a tensão da linha é 69 kV, contudo deve ser instalado um pára-

raios em cada fase da mesma, logo a tensão máxima de sistema a ser considerada é igual

a tensão de fase da linha, ou seja, 39,837 kV. Assim, como se busca proteger a linha contra

descargas atmosféricas de 10 kA o pára-raios a ser implementado deve ser do tipo PEXLIM

R, como se vê na Tabela 7-2.

Normalmente, os pára-raios são classificados em diferentes classes de acordo com

seus níveis de proteção, ensaios de durabilidade, existência ou não de dispositivos de alívio

de pressão e tensões do sistema para as quais foram projetados. Dessa forma, por meio da

Tabela 7-2 depreende-se que o pára-raios a ser usado neste trabalho deve ser de classe 2

já que a corrente de descarga simulada é de 10 kA e a tensão máxima do sistema 39,837

kV. Contudo, para determinar exatamente esta classe necessita-se saber qual a intensidade

de descarga atmosférica.

Dessa maneira, sabendo que de acordo com Kindermann (1992), o índice ceráunico

de Campinas, região onde se situa a linha de transmissão escolhida para esse estudo, é de

51, como se verifica na Figura 7-4, calcula-se a densidade de raios para esta região com

Equação 3.1, do Capítulo 3.

Figura 7-4: Nível Ceraúnico do Estado de São Paulo.

Logo a densidade de raios para a região da linha de transmissão, é dada por:

86

DR = 0,0024 x Ic1,63 = 0,0024x511,63 = 1,457

Ou seja, a densidade de raios é de 1,457 raios por km² por ano na região onde se

encontra a linha. Este valor é considerado moderado, o que leva a necessidade de um

pára-raios de moderada intensidade de descarga atmosférica e portanto de classe 2, como

averiguado anteriormente na Tabela 7-2 da ABB.

Desse modo, o modelo PEXLIM R se torna o mais recomendado para este projeto,

sendo o mesmo indicado para proteção de linhas aéreas, comutadores, transformadores e

outros equipamentos em sistemas de alta tensão contra sobretensões atmosféricas e de

comutação, em áreas com alta densidade de descarga atmosférica e requisitos de energia

elevados, e onde as condições de aterramento ou blindagem são deficientes ou

insuficientes (ABB, 2004).

7.2.1 - SELEÇÃO DAS CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS DO PÁRA-RAIOS

Após determinar o modelo PEXLIM R cabe agora determinar as características

elétricas do mesmo, para que se possa modelá-lo utilizando o software ATPDraw. Para

cada tensão de sistema, a Tabela 7-3 e a Tabela 7-5, com as características de proteção

garantidas, apresentam uma série de tensões Um e Ur, as quais devem ser determinadas e

são definidas a seguir.

Tensão máxima de sistema (Um): é a tensão máxima entre fases durante serviço

normal.

Tensão nominal (Ur): para cumprir o padrão IEC, um pára-raios precisa suportar sua

tensão nominal (Ur) durante 10 segundos após ter sido pré-aquecido a 60 °C e

submetido a uma injeção de energia como definido no padrão. Ur deverá então

igualar, pelo menos, os 10 segundos de capacidade de sobretensão temporária de

um pára-raios. Além disso, a tensão nominal é usada como parâmetro de referência.

Para determinar Um deve-se adotar o valor igual ou imediatamente superior à

tensão máxima de operação entre fases da linha, que neste caso é 39,837 kV, logo pela Tabela 7-3 adota-se Um = 52 kV.

87

Tabela 7-3: Características de proteção garantidas do pára-raios EXLIM Q-E (ABB, 2004). Tensão Máxima

de Sistema

Tensão Nominal

Capacidade TOV* Tensão Residual Máxima com Onda de Corrente

Um Ur Uc 1s 10s 5 kA 10 kA 20 kA [kVrms] [kVrms] [kVrms] [kVrms] [kVrms] [kVpico] [kVpico] [kVpico]

24

18 14,4 20,7 19,8 44 46,7 52,3 21 16,8 24,1 23,1 51,3 54,4 61 24 19,2 27,6 26,4 58,7 62,2 69,7 27 21,6 31 29,7 66 70 78,4

36

30 24 34,5 33 73,3 77,7 87,1 33 26,4 37,9 36,3 80,6 85,5 95,8 36 28,8 41,4 39,6 88 93,3 105 39 31,2 44,8 42,9 95,3 102 114 42 34 48,3 46,2 103 109 122 48 38 55,2 52,8 118 125 140

52

42 34 48,3 46,2 103 109 122 48 38 55,2 52,8 118 125 140 51 41 58,6 56,1 125 133 148 54 43 62,1 59,4 132 140 157 60 48 69 66 147 156 175 66 53 75,9 72,6 162 171 192

*TOV – Sobretensões temporárias.

Já para determinar Ur precisa-se analisar a Tabela 7-4, por meio da qual se

depreende que Ur ≥ 0,8 x Um, uma vez que o aterramento da linha é considerado eficaz e

Um ≤ 100 kV, ou seja, Ur = 0,8 x 52 = 41,6 kV. Assim, pela Tabela 7-3 novamente deve-se tomar o valor igual ou imediatamente superior ao

encontrado para Ur e dessa forma adota-se Ur = 42 kV.

88

Tabela 7-4: Tabela para determinação do valor mínimo de Ur do pára-raios (ABB, 2004). Aterramento do Sistema

Duração da Falha

Tensão do Sistema Um [kV]

Tensão Nominal Mínima Ur [kV]

Eficaz ≤ 1s ≤ 100 ≥ 0,8xUm Eficaz ≤ 1s ≥ 123 ≥ 0,72xUm

Não-eficaz ≤ 10s ≤ 170 ≥ 0,8xUm ≥ 0,72xUm EXLIM T

Não-eficaz ≤ 2h ≤ 170 ≥ 1,11xUm Não-eficaz > 2h ≤ 171 ≥ 1,25xUm

Posto isto, deve-se determinar os parâmetros Vn, VR1/T2, VR8/T2 e VR8/20, da

Equação 7.1 e da Equação 7.2 para implementar o modelo de Pinceti e Giannetoni (1999).

Com os dados da Tabela 7-3 e Tabela 7-5, e fazendo as devidas correspondências tem-se Vn = 42

kV, VR1/T2 = 310 kV, e VR8/T2 = VR8/20 = 109 kV. Dessa forma, já se tem os dados para

validação do modelo do pára-raios, a qual será realizada a seguir.

Tabela 7-5: Características de proteção e dos encapsulamentos dos pára-raios EXLIM Q-E

(ABB, 2004). Tensão Máxima

de Sistema

Tensão Nominal

Encapsu-lamento

Distância de Fuga Isolamento Externo

Um Ur mm

1,2/50 µs 50 Hz 60 Hz 250/2500 µs seco úmido (60s) úmido (10s) úmido

[kVrms] [kVrms] [kVpico] [kVrms] [kVrms] [kVpico] 24 18-27 YV024 1863 310 150 150 250 36 30-48 YV036 1863 310 150 150 250

52 42-60 YV052 1863 310 150 150 250

66 YV052 2270 370 180 180 300

7.3 - VALIDAÇÃO DO MODELO PROPOSTO POR PINCETI E GIANNETONI (1999)

Por meio da Tabela 7-1 e da tensão residual medida para um impulso atmosférico

de 10 kA com frente de onda de 1,2x50µs igual a 310 kV são determinadas as

características dos resistores não-lineares A0 e A1, como exposto na Tabela 7-6.

89

Tabela 7-6: Características de A0 e A1 do pára-raios EXLIM Q-E.

Corrente [kA]

A0 A1 Tensão [kV] Tensão [kV]

2,00E-06 251,1 193,13 0,1 301,94 244,28 1 326,12 268,46 3 343,48 285,82

10 370,45 312,79 20 395,87 338,21

Não obstante, utilizando a Equação 7.1 e a Equação 7.2 os parâmetros indutivos

são determinados.

Dessa forma, com os parâmetros já determinados faz-se a modelagem dos pára-

raios no ATPDraw por meio do componente MOV Type 92, gerando as curvas dos

resistores não-lineares A0 e A1, mostradas na Figura 7-5 e Figura 7-6, respectivamente.

Figura 7-5: Curva de parametrização do resistor não-linear A0.

90

Figura 7-6: Curva de parametrização do resistor não-linear A1.

Por fim, montando o circuito da Figura 7-2 com os resistores não-lineares

anteriormente parametrizados, utilizando o resistor de 1 MΩ para evitar má convergência

nas simulações. Configurando a Fonte 15 do tipo Heidler para simular uma descarga

atmosférica com forma de onda 1,2x50 µs e corrente de descarga 10 kA obtém-se o

resultado da Figura 7-7.

Figura 7-7: Resposta do modelo de Pinceti e Giannetoni (1999) para forma de onda 1,2x50µs e

corrente de descarga 10 kA.

91

A partir da Figura 7-7 depreende-se que o modelo de Pinceti e Giannetoni (1999)

implementado está operando corretamente, pois a partir do momento em que foi submetido

a uma tensão superior a sua tensão nominal, sua impedância sofreu uma grande

diminuição dissipando a corrente de impulso atmosférico, limitando o valor da sobretensão

resultante e recuperando seu alto valor de impedância após o término da solicitação da

tensão.

Posto isto, cabe agora determinar qual o número de pára-raios necessários, a

localização dos mesmos e refazer as simulações de descarga atmosférica para avaliar o

desempenho da linha sob proteção dos pára-raios.

92

93

Capítulo 8

Análise e Simulação da Proteção Realizada pelos Pára-Raios na Linha frente à Ocorrência de Descargas Atmosféricas

Neste capítulo serão apresentadas as simulações de descargas atmosféricas na

linha selecionada após a instalação dos pára-raios na mesma. Por meio dessas simulações

será determinado o número de pára-raios necessário para proteção da linha e a localização

dos mesmos. Também serão avaliadas as sobretensões geradas pelas descargas frente à

proteção realizada pelos pára-raios a fim de diagnosticar a sua eficiência.

8.1 - SIMULAÇÕES PARA DETERMINAÇÃO DO NÚMERO E LOCALIZAÇÃO DOS PÁRA-RAIOS

A partir dos dados obtidos no Capítulo 6 e demonstrados na Tabela 6-1, averiguou-

se que os valores máximos em módulo das sobretensões geradas pela aplicação de

descargas atmosféricas na linha são de 2542,751 kV para tensão positiva e -2102,250 kV

para tensão negativa, os quais ocorrem para o caso em que a corrente de descarga é de

10kA, a resistência do canal de ionização é de 3kΩ e a descarga é aplicada e medida no

ponto 5 da linha.

Dessa forma, a seguir serão realizadas simulações de descargas atmosféricas

empregando o modelo simplificado da linha, como da Figura 6-1, adicionando 2, 3 ou 5

conjuntos de pára-raios do modelo proposto por Pinceti e Giannetoni (1999) como consta

na Figura 7-2, e aplicando descargas de 10 kA e resistência do canal de ionização de 3kΩ,

no ponto mais crítico da mesma, ou seja, no ponto 5. Um conjunto de pára-raios é

composto por 3 pára-raios, sendo um por fase.

94

8.1.1 - ADIÇÃO DE CONJUNTOS DE PÁRA-RAIOS NOS EXTREMOS DA LINHA

Inicialmente foram feitas simulações com a adição de 2 conjuntos de pára-raios nos

extremos da linha, ou seja, ponto 1 e ponto 9, como se vê na Figura 8-1, com as quais

foram obtidas as sobretensões geradas na linha e as tensões e correntes averiguadas sob

os pára-raios, expostas na Tabela 8-1. Os pontos onde são aplicadas e medidas as

descargas atmosféricas são indicados na Figura 6-1.

LCC

0.119 km

LCC

1.784 km

LCC

0.601 km

LCC

3.42 km

LCC

0.845 km

LCC

1.485 km

LCC

0.483 km

LCC

0.177 km

VV

H

V

MO

V

MO

V

MO

V

MO

V

IVV

IPára-Raios 1 Pára-Raios 2

Figura 8-1: Modelo simplificado da linha com pára-raios instalados nos extremos.

Tabela 8-1: Valores máximos de tensão e corrente na linha com 2 conjuntos de pára-raios em decorrência da aplicação de descargas atmosféricas.

Linha com 2 Pára-Raios Equipamento Ponto de Medição Fase A Fase B Fase C

Pára-Raios 1

Corrente [A] 1 3.181,04 -3.049,42 8.754,64 Tensão [V] 1 -232.843,75 -220.419,72 265.521,81

Pára-Raios 2

Corrente [A] 9 2.909,17 2.118,67 8.159,17 Tensão [V] 9 -208.937,48 -184.492,75 241.752,51

Medidor de Tensão [V] 2 -818.458,85 -568.811,32 1.408.598,27 Medidor de Tensão [V] 5 -1.599.574,41 -1.441.783,17 2.586.807,41 Medidor de Tensão [V] 8 678.821,93 491.872,63 1.985.627,42

A partir da Tabela 8-1 depreende-se que apenas 2 conjuntos de pára-raios

instalados nos extremos da linha não são suficientes para protegê-la uma vez que a

máxima sobretensão medida no ponto 5 é de 2.586,807 kV. Entretanto, observa-se o

adequado funcionamento dos pára-raios, pois a máxima tensão residual frente a um surto

de corrente de módulo 10 kA e tempo de subida 1,2 µs medida sobre os pára-raios é de

265,521 kV, a qual não ultrapassa o limite estabelecido pelo fabricante que é de 310 kV.

Além disso, a maior corrente encontrada, que é de 8,754 kA, igualmente não excede o

limite de 10 kA suportável pelos pára-raios.

Da Figura 8-2 à Figura 8-8 são apresentadas as formas de onda das tensões em

decorrência da aplicação de uma descarga atmosférica na linha com 2 pára-raios

95

instalados. Observando tais figuras infere-se que apenas 2 pára-raios não satisfazem as

necessidades de proteção da linha estudada, como foi constatado na Tabela 8-1.

-1000000

-500000

0

500000

1000000

1500000

0 1 2 3 4


Volta

ge (V

)

Time (ms)

Fase A Fase B Fase C

Figura 8-2 Tensão nas fases “A”, “B” e “C” após a ocorrência de uma descarga atmosférica

de 10kA com resistência do canal de ionização de 3kΩ, aplicada no ponto 5 e medida no ponto 2 da linha com 2 pára-raios instalados.

-3000000

-2000000

-1000000

0

1000000

2000000

3000000

0 1 2 3 4


Vol

tage

(V)

Time (ms)




96

-1500000

-1000000

-500000

0

500000

1000000

1500000

2000000

0 1 2 3 4


Vol

tage

(V)

Time (ms)




-4000

-2000

0

2000

4000

6000

8000

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4


Cur

rent

(A)

Time (ms)


Figura 8-5: Corrente nas fases “A”, “B” e “C” após a ocorrência de uma descarga atmosférica

de 10kA com resistência do canal de ionização de 3kΩ, aplicada no ponto 5 e medida sob o pára-raios 1 da linha.

97

-300000

-200000

-100000

0

100000

200000

300000

0 1 2 3 4


Vol

tage

(V)

Time (ms)


Figura 8-6: Tensão nas fases “A”, “B” e “C” após a ocorrência de uma descarga atmosférica de 10kA com resistência do canal de ionização de 3kΩ, aplicada no ponto 5 e medida sob o

pára-raios 1 da linha.

-5000

0

5000

10000

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4


Cur

rent

(A)

Time (ms)


Figura 8-7: Corrente nas fases “A”, “B” e “C” após a ocorrência de uma descarga atmosférica


98

-300000

-200000

-100000

0

100000

200000

300000

0 1 2 3 4


Vol

tage

(V)

Time (ms)


Figura 8-8: Tensão nas fases “A”, “B” e “C” após a ocorrência de uma descarga atmosférica de 10kA com resistência do canal de ionização de 3kΩ, aplicada no ponto 5 e medida sob o

pára-raios 2 da linha.

8.1.2 - ADIÇÃO DE 3 CONJUNTOS DE PÁRA-RAIOS NA LINHA

Também foram feitas simulações acrescentando 3 conjuntos de pára-raios na linha,

localizados nos pontos 1, 5 e 9 como se observa na Figura 8-9, com as quais foram

conseguidas mais uma vez as sobretensões geradas na linha e as tensões e correntes

medidas sob os 3 pára-raios, como constatado na Tabela 8-2.

LCC

0.119 km

LCC

1.784 km

LCC

0.601 km

LCC

3.42 km

LCC

0.845 km

LCC

1.485 km

LCC

0.483 km

LCC

0.177 km

VV

H

V

MO

V

MO

V

MO

V

MO

V

IVV

I

IV

MO

V

MO

V

Pára-Raios 1

Pára-Raios 2

Pára-Raios 3

Figura 8-9: Modelo simplificado da linha com pára-raios nos pontos 1, 5 e 9.

99

Tabela 8-2: Valores máximos de tensão e corrente na linha com 3 conjuntos de pára-raios em decorrência da aplicação de descargas atmosféricas.

Linha com 3 Conjuntos de Pára-Raios Equipamento Ponto de Medição Fase A Fase B Fase C

Pára-Raios 1

Corrente [A] 1 -322,15 -289,24 -454,71 Tensão [V] 1 -114.482,01 -132.749,19 141.842,08

Pára-Raios 2

Corrente [A] 5 0,94 1,61 9.480,11 Tensão [V] 5 148.406,92 132.489,76 162.487,43

Pára-Raios 3

Corrente [A] 9 -141,83 -97,38 364,54 Tensão [V] 9 -112.489,56 -106.479,72 125.481,02

Medidor de Tensão [V] 2 -135.546,48 -111.486,03 244.527,72 Medidor de Tensão [V] 5 155.182,84 132.791,09 161.219,76 Medidor de Tensão [V] 8 -118.487,26 -102.792,12 133.148,67

A partir da Tabela 8-2 depreende-se que com a instalação de 3 conjuntos de pára-

raios, a linha encontra-se protegida, já que a máxima sobretensão medida para este caso

se dá no ponto 2 e é de 244,527 kV. Além disso, observa-se que a tensão residual frente a

um surto de corrente de módulo 10 kA e tempo de subida 1,2 µs medida sobre os pára-

raios é de 162,487 kV e não ultrapassa o limite estabelecido pelo fabricante que é de 310

kV, e a maior corrente encontrada, que é de 9,480 kA, igualmente não excede o limite de 10

kA suportável pelo pára-raios, caracterizando o perfeito funcionamento dos mesmos.

Já da Figura 8-10 à Figura 8-18 depara-se com as formas de onda das tensões em

decorrência da aplicação de uma descarga atmosférica na linha com 3 pára-raios

instalados, e observando tais figuras infere-se que 3 pára-raios satisfazem as necessidades

de proteção da linha examinada, como foi constatado na Tabela 8-2.

-200000

-100000

0

100000

200000

300000

0 1 2 3 4


Vol

tage

(V

)

Time (ms)



2 da linha com 3 pára-raios instalados.

100

-200000

0

200000

400000

600000

0 1 2 3 4


Vol

tage

(V)

Time (ms)




-200000

-100000

0

100000

200000

300000

0 1 2 3 4


Vol

tage

(V)

Time (ms)




101

-400

-200

0

200

400

600

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4


Curre

nt (A

)

Time (ms)



atmosférica de 10kA com resistência do canal de ionização de 3kΩ, aplicada no ponto 5 e medida sob o pára-raios 1 da linha.

-150000

-100000

-50000

0

50000

100000

150000

0 1 2 3 4


Volta

ge (V

)

Time (ms)




102

-2000

0

2000

4000

6000

8000

10000

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4


Curre

nt (A

)

Time (ms)




-200000

0

200000

400000

600000

0 1 2 3 4


Volta

ge (V

)

Time (ms)




103

-200

-100

0

100

200

300

400

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4


Cur

rent

(A)

Time (ms)




-150000

-100000

-50000

0

50000

100000

150000

0 1 2 3 4


Volta

ge (V

)

Time (ms)




104

8.1.3 - ADIÇÃO DE 5 CONJUNTOS DE PÁRA-RAIOS NA LINHA

Por fim, realizaram-se simulações acrescentando 5 conjuntos de pára-raios na linha,

localizados nos pontos 1, 3, 5, 7 e 9, como se observa na Figura 8-19, com as quais

novamente foram obtidas as sobretensões geradas na linha e as tensões e correntes

medidas sob os 5 conjuntos de pára-raios, como mostrado na Tabela 8-3.

LCC

0.119 km

LCC

1.784 km

LCC

0.601 km

LCC

3.42 km

LCC

0.845 km

LCC

1.485 km

LCC

0.483 km

LCC

0.177 km

VV

H

V

MO

V

MO

V

MO

V

MO

V

MO

V

MO

V

IVV

I

IV

MO

V

MO

V

MO

V

MO

V

IV

IV

Pára-Raios 1

Pára-Raios 2 Pára-Raios 3

Pára-Raios 4

Pára-Raios 5

Figura 8-19: Modelo simplificado da linha com pára-raios nos pontos 1, 3, 5, 7 e 9.

Tabela 8-3: Valores máximos de tensão e corrente na linha com 5 conjuntos de pára-raios em

decorrência da aplicação de descargas atmosféricas. Linha com 5 Conjuntos de Pára-Raios

Equipamento Ponto de Medição Fase A Fase B Fase C

Pára-Raios 1


Pára-Raios 2


Pára-Raios 3

Corrente [A] 5 1,83 2,49 9.247,14 Tensão [V] 5 84.109,07 97.463,72 110.473,82

Pára-Raios 4

Corrente [A] 7 -178,37 -122,78 7.154,86 Tensão [V] 7 -138.207,49 -124.053,75 177.432,19

Pára-Raios 5

Corrente [A] 9 58,62 32,43 197,37 Tensão [V] 9 -92.760,87 -91.407,51 112.459,43

Medidor de Tensão [V] 2 -124.792,14 -102.730,78 237.458,07 Medidor de Tensão [V] 5 138.791,46 113.719,482 146.934,34 Medidor de Tensão [V] 8 -97.471,82 -91.931,71 136.432,05

105

A partir da Tabela 8-3 infere-se que com a instalação de 5 pára-raios a linha

encontra-se protegida, uma vez que a máxima sobretensão medida para este caso se dá no

ponto 2 e é igual a 237,458 kV. Ademais, ressalta-se que a máxima tensão residual frente a

um surto de corrente de módulo 10 kA e tempo de subida 1,2 µs medida sob os pára-raios é

igual a 179,875 kV a qual não ultrapassa o limite estabelecido pelo fabricante que é de 310

kV, e a maior corrente medida, que é de 9,247 kA, do mesmo modo não excede o limite de

10 kA suportável pelos pára-raios, caracterizando o completo funcionamento dos mesmos.

Não obstante, pode-se concluir que as sobretensões resultantes das descargas na

linha com 3 e 5 conjuntos de pára-raios instalados apresentam pouquíssimas diferenças

entre si. Logo, levando-se em conta a viabilidade econômica do projeto compreende-se que

seria mais adequada a utilização de apenas 3 conjuntos de pára-raios dispostos nos pontos

1, 5 e 9 como apresentado anteriormente, dados os elevados custos dos mesmos e de sua

implantação.

Da Figura 8-20 à Figura 8-32 vêem-se as formas de onda de corrente e tensão em

conseqüência da aplicação de uma descarga atmosférica na linha com 5 pára-raios

instalados, e novamente deduz-se que 5 pára-raios satisfazem as necessidades de

proteção da linha pesquisada.

-200000

-100000

0

100000

200000

300000

0 1 2 3 4


Vol

tage

(V)

Time (ms)




106

-200000

0

200000

400000

600000

0 1 2 3 4


Volta

ge (V

)

Time (ms)




-100000

-50000

0

50000

100000

150000

0 1 2 3 4


Vol

tage

(V)

Time (ms)




107

-200

-100

0

100

200

300

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4


Cur

rent

(A)

Time (ms)




-150000

-100000

-50000

0

50000

100000

150000

0 1 2 3 4


Vol

tage

(V)

Time (ms)




108

-200

0

200

400

600

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4


Cur

rent

(A)

Time (ms)




-200000

-100000

0

100000

200000

0 1 2 3 4


Vol

tage

(V)

Time (ms)




109

-2000

0

2000

4000

6000

8000

10000

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4


Cur

rent

(A)

Time (ms)




-200000

0

200000

400000

600000

0 1 2 3 4


Vol

tage

(V)

Time (ms)




110

-200

0

200

400

600

0 1 2 3 4


Cur

rent

(A)

Time (ms)




-200000

-100000

0

100000

200000

0 1 2 3 4


Vol

tage

(V)

Time (ms)




111

-100

-50

0

50

100

150

200

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4


Cur

rent

(A)

Time (ms)




-100000

-50000

0

50000

100000

150000

0 1 2 3 4


Vol

tage

(V

)

Time (ms)




8.2 - ANÁLISE DA EFICIÊNCIA DA PROTEÇÃO DA LINHA COM 3 CONJUNTOS DE PÁRA-RAIOS

Após determinar que a instalação de 3 conjuntos de pára-raios nos pontos 1, 5 e 9

da linha é suficiente para protegê-la das elevadas sobretensões resultantes das descargas

112

atmosféricas, cabe examinar e ratificar a eficiência dos mesmos quando da aplicação de

descargas nos pontos 2 e 8, como realizado nas simulações do Capítulo 6.

Para tanto, a seguir será mostrada a Tabela 8-4 com as sobretensões geradas

pela aplicação de uma descarga de 10 kA, resistência do canal de ionização de 3 kΩ, e com

incidência das descargas atmosféricas nos pontos 2 e 8 da linha, além de também constar

os valores de sobretensão para incidência no ponto 5 já apresentados.

Tabela 8-4: Valores máximos de tensão e corrente na linha com 3 conjuntos de pára-raios em

decorrência da aplicação de descargas atmosféricas. Linha com 3 Pára-Raios

Equipamento Ponto de Incidência

Ponto de Medição Fase A Fase B Fase C

Pára-Raios 1

Corrente [A] 2 1 147,86 142,07 7.469,41 Tensão [V] 2 1 86.107,01 98.041,37 128.501,64

Pára-Raios 2

Corrente [A] 2 5 1,94 2,73 301,82 Tensão [V] 2 5 -70.014,88 -100.354,91 157.047,61

Pára-Raios 3

Corrente [A] 2 9 -6,74 -1,71 224,97 Tensão [V] 2 9 -51.872,46 -144.982,05 208.010,79

Medidor de Tensão [V] 2 2 84.416,05 102.463,19 217.974,27 Medidor de Tensão [V] 2 5 65.014,81 -76.021,76 138.549,38 Medidor de Tensão [V] 2 8 92.871,31 99.874,06 153.876,45

Pára-Raios 1

Corrente [A] 5 1 -322,15 -289,24 -454,71 Tensão [V] 5 1 -114.482,01 -132.749,19 141.842,08

Pára-Raios 2


Pára-Raios 3

Corrente [A] 5 9 -141,83 -97,38 364,54 Tensão [V] 5 9 -112.489,56 -106.479,72 125.481,02

Medidor de Tensão [V] 5 2 -135.546,48 -111.486,03 244.527,72 Medidor de Tensão [V] 5 5 155.182,84 132.791,09 161.219,76 Medidor de Tensão [V] 5 8 -118.487,26 -102.792,12 133.148,67

Pára-Raios 1

Corrente [A] 8 1 5,87 2,81 -149,73 Tensão [V] 8 1 -125.950,47 135.841,49 164.843,74

Pára-Raios 2

Corrente [A] 8 5 3,45 1,49 331,82 Tensão [V] 8 5 48.512,06 84.512,97 169.754,81

Pára-Raios 3


Medidor de Tensão [V] 8 2 -103.815,67 102.876,93 165.871,34 Medidor de Tensão [V] 8 5 64.884,74 78.327,94 182.972,51 Medidor de Tensão [V] 8 8 -78.328,41 102.783,15 200.874,68

A partir da Tabela 8-4 conclui-se que com a instalação de 3 conjuntos de pára-raios

a linha encontra-se protegida contra as elevadas sobretensões decorrentes de descargas

atmosféricas, já que a máxima sobretensão medida na linha ocorre quando a descarga é

aplicada no ponto 5 e medida no ponto 2 da linha, com valor de 244,527 kV.

113

Ademais, observa-se que a máxima tensão residual frente a um surto de corrente de

módulo 10 kA e tempo de subida 1,2 µs medida sobre os pára-raios é de 208,010 kV e

outra vez não ultrapassa o limite estabelecido pelo fabricante que é de 310 kV, e a maior

corrente encontrada, que é de 9,480 kA, igualmente não excede o limite de 10 kA

suportável pelo pára-raios, caracterizando o perfeito funcionamento do SPDA implementado

nesta linha por meio da instalação de 3 conjuntos de pára-raios.

114

115

Capítulo 9

Conclusão

A partir do exposto neste trabalho, conclui-se que os estudos bibliográficos

realizados foram extremamente importantes para que se pudesse desenvolver uma base

sólida sobre a teoria das linhas de transmissão, o desenvolvimento e implementação de

sistemas de proteção contra descargas atmosféricas, a implantação de pára-raios em linhas

áreas de energia, e a aplicação e desempenho de linhas de transmissão que utilizam pára-

raios de ZnO, servindo de embasamento para todo desenvolvimento deste trabalho de

conclusão de curso.

Não obstante, a apresentação dos conceitos básicos sobre descargas atmosféricas,

como ocorre a formação das cargas nas nuvens e dos raios, como acontecem as descargas

elétricas nuvem/terra, o que é o efeito plasma, e em que tipo de solo há maior incidência de

raios, foi fundamental para o trabalho, uma vez que se pôde conhecer melhor o principal

fenômeno causador de desligamentos em LTs e LDs e assim desenvolver um projeto de

implantação de um SPDA.

Dessa forma, para o desenvolvimento de SPDAs foi essencial o estudo sobre a

função e composição dos mesmos, bem como o exame dos conceitos, finalidades,

requisitos e fatores que influenciam na realização de aterramentos, e a análise dos

conceitos básicos sobre pára-raios, a fim de concluir que os pára-raios a óxido de zinco se

portam de maneira mais eficiente que os de carboneto de silício. Posto isto, foi realizada a

apreciação das características construtivas dos pára-raios a óxido de zinco e do seu

desempenho frente a surtos atmosféricos com a finalidade de embasar-se para a

implementação do mesmo no software ATPDraw.

Outrossim, através das simulações de descargas atmosféricas depreende-se que os

casos que apresentam maior pico de tensão em virtude das descargas aplicadas à linha

são os que possuem corrente de descarga de 10 kA e resistência do canal de ionização de

3 kΩ, com incidência e medição no ponto 5. Também se averiguou que as sobretensões

provocadas pelas descargas são diretamente proporcionais à intensidade da corrente, ou

seja, quanto maior a corrente da descarga, maiores serão os picos de sobretensão medidos

na linha, e que quanto maior a resistência em paralelo à linha, representando o canal de

116

ionização, maior será a parcela de corrente a percorrer a mesma causando uma maior

sobretensão.

Do mesmo modo, foram apresentados os requisitos necessários para modelar pára-

raios no software ATPDraw e a partir dos dados de operação da linha, das sobretensões

averiguadas em virtude das simulações de descargas atmosféricas realizadas e expostas

no Capítulo 6, e por meios dos dados contidos no Guia do Comprador da ABB foi possível

inferir que o melhor pára-raios para a linha em estudo é do tipo PEXLIM R.

Igualmente, por meio de um estudo sobre os modelos de pára-raios desenvolvidos e

implementados concluiu-se que o modelo proposto por Pinceti e Giannetoni (1999) era o

mais apropriado para esta pesquisa, uma vez que o mesmo foi escolhido porque representa

muito bem as características dinâmicas dos pára-raios. Além disso, o modelo somente

necessita de parâmetros elétricos para construir o circuito elétrico correspondente, o que o

torna bastante atraente do ponto de vista de esforço computacional e disponibilidade de

dados por parte dos fabricantes.

Posto isto, depois de determinar que o modelo de Pinceti e Giannetoni (1999) e o

pára-raios do tipo PEXLIM R são os mais adequados à linha selecionada, foi implementado

o pára-raios a ser instalado na linha examinada, como se verificou na seção 7.3.

Em seguida foram realizadas novas simulações para determinar qual o número de

pára-raios necessários e a localização dos mesmos, e assim avaliar o desempenho da linha

sob sua proteção. Para tanto, foram simuladas descargas de 10 kA, resistência do canal de

ionização de 3kΩ, no ponto mais crítico da linha, ou seja, no ponto 5, instalados 2, 3 e 5

conjuntos de pára-raios, e dessa forma depreendeu-se que apenas 2 conjuntos instalados

na linha não são suficientes para protegê-la, mas 3 e 5 o são.

Ademais, concluiu-se que o melhor cenário dentre os simulados é o de 3 conjuntos

de pára-raios instalados nos pontos 1, 5 e 9, porque apenas 2 não foram capazes de

proteger a linha contra as sobretensões geradas pelas descargas, e a instalação de 5

conjuntos promoveu a proteção da linha de maneira praticamente igual à instalação de 3,

mas implicaria em maiores custos de implantação do projeto, já que os custos dos pára-

raios e da sua montagem são bastante elevados.

Ressalta-se que apesar de apenas 2 conjuntos de pára-raios não serem suficientes

para proteger a linha, observou-se que tanto para 2 conjuntos de pára-raios quanto para 3 e

5 os mesmos funcionaram adequadamente quando se analisam suas características

elétricas, pois em nenhum dos casos a máxima tensão residual medida sob o pára-raios

ultrapassou o limite estabelecido pelo fabricante que é de 310 kV, e a máxima corrente

medida, igualmente, não excedeu o limite de 10 kA suportável pelos pára-raios.

Por fim, foram realizas simulações com a aplicação das descargas atmosféricas

nos pontos 2 e 8, como havia sido feito no Capítulo 6, para a linha com 3 conjuntos de pára-

117

raios instalados a fim de analisar a eficiência do projeto implementado e concluiu-se que a

linha encontra-se protegida contra as elevadas sobretensões decorrentes de descargas

atmosféricas.

118

119

Capítulo 10

Referências Bibliográficas

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Documents

Marcel Ayres de Araújo Projeto de um Sistema de Proteção Contra